c++ - 如何设计一个产生数据的类和任意数量的消费者类之间的数据交换

Question

我尝试在专门针对设计模式/数据交换/类设计的问题中进行搜索，但无济于事。我专门用 C++ 编程，但这主要是一个设计问题，我认为这是一个很普遍的问题。

我想做的是设计至少两个类之间的数据交换，可能更多，如下:

• 一个类(class)从磁盘读取图像并分享它们
• 任意数量的类(0+)独立读取和处理这些图像

共享类不应受限于消费者类的存在。不是专家，我能想到的唯一选择是发布-订阅机制或使用共享内存。

此类问题的可能解决方案及其优缺点是什么？

提前致谢

Answer 1

您可以将其实现为经典的生产者-消费者模式。您没有提到生产者是否可以从不同的线程工作，但我会假设多线程功能使这个解决方案更加灵活。

// Not important what this actually is.
class Image
{ };

using ImagePtr = std::shared_ptr<Image>;

// Shared queue which stores currently available images and
// encapsulates synchronization details.
class ImageQueue
{
private:
  std::queue<ImagePtr> m_images;
  std::mutex m_mutex;
  std::condition_variable m_cond;

public:
  void PostImage(std::shared_ptr<Image> image)
  {
    // Lock the queue, push image, notify single thread.
    std::unique_lock<std::mutex> lock(m_mutex);
    m_images.push(image);
    m_cond.notify_one();
  }

  ImagePtr WaitForImage()
  {
    // Lock the queue, wait if empty, fetch image and return it.
    std::unique_lock<std::mutex> lock(m_mutex);
    if (m_images.empty())
    {
      m_cond.wait(lock, [&m_images]() -> bool { return !m_images.empty(); });
    }
    assert (!m_images.empty());
    auto nextImage = m_images.front();
    m_images.pop();
    return nextImage;
  }
};

// Image producer class, loads images and posts them into the queue.
class ImageProducer
{
private:
  ImageQueue* m_queue;

public:
  void LoadImage(const char* file)
  {
    auto image = loadAndInitializeImageObject(file);
    m_queue->PostImage(image);
  }
};

// Image consumer class, fetches images and processes them.
class ImageConsumer
{
private:
  ImageQueue* m_queue;

public:
  void ProcessImage()
  {
    auto image = m_queue->WaitForImage();
    processImage(image);
  }
};

这是一个非常非常 beta 版本的概念，但它应该能为您提供一个概览。一些注意事项:

• 当然，应该有一个队列实例。它可以独立实例化并作为构造函数参数(通过指针或引用)传递给两个类，但它也可以是 ImageProducer 的成员。可以提供公共(public)访问器以获取指向它的指针/引用的类 - 选择取决于特定需求。
• 目前，逻辑不包括处理何时应该结束的明确点。队列可以有一个额外的 bool标志(例如 m_processingActive ，可能包含在 std::atomic<> 中)。该标志将在构造期间初始化为 true，并在生成最后一个图像后由生产者更改为 false。当队列变为非事件状态时，消费者将结束对图像的等待。

可能还有一些额外的改进，有些事情可能会以不同的方式完成，并且可能会更好。但这个基本概念是一个很好的起点(我希望)。

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当然，你不限于单个ImageConsumer类(class)。实际处理函数(在我的代码中为 processImage)可以是一个虚函数，它在专门的类中实现。