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用C++实现数据总线的方法，本文主要介绍实现一个完整功能的带超时的数据总线DataQueue的方法。
数据总线以及传输的数据的定义和实现
传输数据类Data，它是由数据的地址和数据的大小两个成员组成的。
数据总线类DataQueue，需要有存放总线数据的数据链表，构成锁的互斥量和用于多线程同步的条件变量，同时也需要具有最基本的Push和Pop函数，还有就是Clear和Empty函数。
#ifndef DATA_QUEUE_H
#define DATA_QUEUE_H
#include<stdint.h>
#include<mutex>
#include<condition_variable>
#include<list>
class Data
{
public:
Data(): m_address(NULL), m_size(0)
{
}
Data(uint64_t size): m_size(size)
{
m_address = new char[m_size];
}
~Data()
{
if (m_address != NULL)
{
delete[] m_address;
m_address = NULL;
}
}
char* m_address;
uint64_t m_size;
};
class DataQueue
{
public:
static void Clear();
static bool Empty();
static void Push(Data* dataPtr);
static void Push(void* data, uint64_t size);
static Data* Pop();
private:
static std::mutex s_mt;
static std::condition_variable s_cv;
static std::list<Data *> s_queue;
};
#endif
#include "DataQueue.h"
static int POP_TIMEOUT = 1000;
std::mutex DataQueue::s_mt;
std::condition_variable DataQueue::s_cv;
std::list<Data *> DataQueue::s_queue;
void DataQueue::Clear()
{
std::list<Data *>::iterator it = s_queue.begin();
for (; it != s_queue.end(); ++it)
{
delete *it;
}
s_queue.clear();
}
bool DataQueue::Empty()
{
std::unique_lock<std::mutex> lock(s_mt);
return s_queue.empty();
}
void DataQueue::Push(Data* dataPtr)
{
std::unique_lock<std::mutex> lock(s_mt);
s_queue.push_back(dataPtr);
s_cv.notify_all();
}
void DataQueue::Push(void* data, uint64_t size)
{
Data *dataPtr = new Data(size);
memcpy(dataPtr->m_address, data, size);
Push(dataPtr);
}
Data* DataQueue::Pop()
{
Data* dataPtr = NULL;
{
std::unique_lock<std::mutex> lock(s_mt);
while (s_queue.empty())
{
if (s_cv.wait_for(lock, std::chrono::milliseconds(POP_TIMEOUT)) == std::cv_status::timeout)
{
break;
}
}
if (!s_queue.empty())
{
dataPtr = s_queue.front();
s_queue.pop_front();
}
}
return dataPtr;
}
这个示例所实现的数据总线呢，虽然可以传递任意类型的数据，但是为了提高效率，所以我们传递的实际上是原始数据的地址，这样减少了数据的构造和拷贝，确实提高了效率，但在使用的过程中就需要留意使用方法，以免造成程序异常。
读取数据会出错的情况
传输的数据类User，它是由id和info两个数据局成员来组成的。同时我们定义了UserPtr作为User类的shared_ptr智能指针。
#ifndef USER_H
#define USER_H
#include<string>
#include<memory>
class User
{
public:
User(int id, std::string info):m_id(id), m_info(info) {}
int ID()
{
return m_id;
}
std::string Info()
{
return m_info;
}
private:
int m_id;
std::string m_info;
};
using UserPtr = std::shared_ptr<User>;
调用程序，在SetData线程函数中，我们新建了一个原始数据User对象，并用一个shared_ptr智能指针pUser指向它，然后我们用了一个变量addr存放了这个User对象的地址，然后将addr里的值，也就是User对象的地址放入拷贝到传输数据对象data中，存放到数据总线中。
在GetData线程函数中，获得了传输的数据对象data，然后得到了data里面的值，也就是原始数据User对象的地址，然后使用reinterpret_cast将这个地址值强转为一个目标数据User对象，因为原始对象和目标对象的结构一致，所以也就得到了原始数据值。
#include "stdafx.h"
#include "User.h"
#include "DataQueue.h"
#include<atomic>
#include<thread>
#include<string>
#include<iostream>
static std::atomic_bool getStop = false;
void SetData()
{
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
int i = 1;
while (i <= 1) //insert one data
{
UserPtr pUser(new User(i, std::to_string(i * 10)));
User* user = pUser.get();
uint64_t addr = (uint64_t)user;
DataQueue::Push(&addr, sizeof(addr));
i++;
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
}
}
void GetData()
{
while (true)
{
Data *data = DataQueue::Pop();
if (data != NULL)
{
uint64_t addr = 0;
memcpy(&addr, data->m_address, sizeof(addr));
UserPtr pUser(reinterpret_cast<User*>(addr));
User* user = pUser.get();
std::cout << "---user id: " << user->ID() << "---user info: " << user->Info().c_str() << std::endl;
//std::cout << "---user id: " << pUser->ID() << "---user info: " << pUser->Info().c_str() << std::endl;
}
}
}
int main()
{
std::thread thGet(GetData);
std::thread thSet(SetData);
thGet.join();
thSet.join();
return 0;
}
但是报错了，而且是个内存错误，原因是为了提高效率，我们在数据总线上传输的是原始数据的地址，但是，因为在SetData新建的原始数据User使用的是shared_ptr智能指针来指向它，在Push函数放入原始数据地址后，shared_ptr智能指针这个局部变量也将释放，这样原始数据的引用计数就归零了，所以原始数据就被释放了，导致读取线程在总线Pop数据时崩溃。
正确的数据总线的使用方法
正确的使用方法是：使用boost::intrusive_ptr智能指针，同时需要用总线的数据类自己来实现引用计数，这样就可以保证原始数据不被释放，具体方法如下：
建立一个提供引用计数功能的基类ReferenceCounter，这个基类需要提供intrusive_ptr_add_ref和intrusive_ptr_release两个接口供boost::intrusive_ptr来进行引用计数的增加和减少。同时，要提供两个接口来供我们自己来进行进行引用计数的增加和减少，这里我们实现了IncReference和DecReference这两个接口来完成相应的功能。
#ifndef ADVANCED_USER_H
#define ADVANCED_USER_H
#include <assert.h>
#include <atomic>
#include <string>
#include <boost/intrusive_ptr.hpp>
class ReferenceCounter
{
public:
friend void intrusive_ptr_add_ref(ReferenceCounter *p)
{
assert(p);
assert(p->ref_count >= 0);
++p->ref_count;
}
friend void intrusive_ptr_release(ReferenceCounter *p)
{
assert(p);
assert(p->ref_count > 0);
if (--p->ref_count == 0)
{
delete p;
}
}
friend uint64_t IncReference(ReferenceCounter *p)
{
intrusive_ptr_add_ref(p);
return reinterpret_cast<uint64_t>(p);
}
friend void DecReference(ReferenceCounter *p)
{
intrusive_ptr_release(p);
}
int RefCount()
{
return ref_count;
}
protected:
ReferenceCounter() { ref_count = 0; }
virtual ~ReferenceCounter() {};
private:
std::atomic_int ref_count;
};
class AdvancedUser: public ReferenceCounter
{
public:
AdvancedUser(int id, std::string info) :m_id(id), m_info(info) {}
int ID()
{
return m_id;
}
std::string Info()
{
return m_info;
}
private:
int m_id;
std::string m_info;
};
using AdvancedUserPtr = boost::intrusive_ptr<AdvancedUser>;
#endif
如果调用总线的方式不改变，还是会报错，因为其实和之前使用shared_ptr没有本质的区别，还是会因为数据释放问题而报错，只不过我们能更清楚的了解数据释放的过程。
#include "stdafx.h"
#include "User.h"
#include "AdvancedUser.h"
#include "DataQueue.h"
#include<atomic>
#include<thread>
#include<string>
#include<iostream>
void SetData()
{
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
int i = 1;
while (i <= 1)
{
AdvancedUserPtr pUser(new AdvancedUser(i, std::to_string(i * 10)));
AdvancedUser* user = pUser.get();
uint64_t addr = (uint64_t)user;
DataQueue::Push(&addr, sizeof(addr));
i++;
}
std::cout << "---SetData End！" << std::endl;
}
void GetData()
{
while (true)
{
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(5));
Data *data = DataQueue::Pop();
if (data != NULL)
{
uint64_t addr = 0;
memcpy(&addr, data->m_address, sizeof(data->m_size));
AdvancedUserPtr pUser(reinterpret_cast<AdvancedUser*>(addr));
std::cout << "---user id: " << pUser->ID() << "---user info: " << pUser->Info().c_str() << std::endl;
}
}
std::cout << "---GetData End！" << std::endl;
}
int main()
{
std::thread thGet(GetData);
std::thread thSet(SetData);
thGet.join();
thSet.join();
return 0;
}
- 在建立智能指针对象时，对象的引用计数加1后为1
在push完成，智能指针对象出作用域之后，对象的引用计数减1后为0，释放了原始对象，在Pop数据时同样会崩溃
正确的使用方法如下，在SetData线程函数里的Push数据到总线之前，调用IncReference，使得对象的计数加1，这样原始数据的引用计数就为2了，当智能指针出作用域，对象计数减1后，原始数据的引用计数为从2变为1，但没有清零，所以原始数据比不会被释放。
当然，那在GetData函数中的得到原始数据之后，还需要调用DecReference将对象计数减1，也就是减掉我们之前人为调用IncReference的那个计数加1。代码如下：
#include "stdafx.h"
#include "User.h"
#include "AdvancedUser.h"
#include "DataQueue.h"
#include<atomic>
#include<thread>
#include<string>
#include<iostream>
static bool StopFlag = false;
void SetData()
{
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
int i = 1;
while (i <= 10)
{
AdvancedUserPtr pUser(new AdvancedUser(i, std::to_string(i * 10)));
AdvancedUser* user = pUser.get();
uint64_t addr = (uint64_t)user;
IncReference(pUser.get());
std::cout << "Set---user id: " << pUser->ID() << "---user info: " << pUser->Info().c_str() << std::endl;
DataQueue::Push(&addr, sizeof(addr));
i++;
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
}
std::cout << "---SetData End！" << std::endl;
getStop = true;
}
void GetData()
{
while (!getStop)
{
//std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
Data *data = DataQueue::Pop();
if (data != NULL)
{
uint64_t addr = 0;
memcpy(&addr, data->m_address, sizeof(data->m_size));
AdvancedUserPtr pUser(reinterpret_cast<AdvancedUser*>(addr));
std::cout << "Get---user id: " << pUser->ID() << "---user info: " << pUser->Info().c_str() << std::endl;
DecReference(pUser.get());
}
}
std::cout << "---GetData End！" << std::endl;
}
int main()
{
std::thread thGet(GetData);
std::thread thSet(SetData);
thGet.join();
thSet.join();
return 0;
}
//output
Set---user id: 1---user info: 10
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---SetData End！
---GetData End！
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