[c++11]多线程编程(三)——竞争条件与互斥锁

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朱宇清
    阅读 5 分钟
    6

    竞争条件

    并发代码中最常见的错误之一就是竞争条件(race condition)。而其中最常见的就是数据竞争(data race)，从整体上来看，所有线程之间共享数据的问题，都是修改数据导致的，如果所有的共享数据都是只读的，就不会发生问题。但是这是不可能的，大部分共享数据都是要被修改的。

    而c++中常见的cout就是一个共享资源，如果在多个线程同时执行cout，你会发发现很奇怪的问题：

    #include <iostream>
#include <thread>
#include <string>
using namespace std;

// 普通函数 无参
void function_1() {
    for(int i=0; i>-100; i--)
        cout << "From t1: " << i << endl;
}

int main()
{
    std::thread t1(function_1);

    for(int i=0; i<100; i++)
        cout << "From main: " << i << endl;

    t1.join();
    return 0;
}

    你有很大的几率发现打印会出现类似于From t1: From main: 64这样奇怪的打印结果。cout是基于流的，会先将你要打印的内容放入缓冲区，可能刚刚一个线程刚刚放入From t1: ，另一个线程就执行了，导致输出变乱。而c语言中的printf不会发生这个问题。

    使用互斥元保护共享数据

    解决办法就是要对cout这个共享资源进行保护。在c++中，可以使用互斥锁std::mutex进行资源保护，头文件是#include <mutex>，共有两种操作：锁定(lock)与解锁(unlock)。将cout重新封装成一个线程安全的函数：

    #include <iostream>
#include <thread>
#include <string>
#include <mutex>
using namespace std;

std::mutex mu;
// 使用锁保护
void shared_print(string msg, int id) {
    mu.lock(); // 上锁
    cout << msg << id << endl;
    mu.unlock(); // 解锁
}

void function_1() {
    for(int i=0; i>-100; i--)
        shared_print(string("From t1: "), i);
}

int main()
{
    std::thread t1(function_1);

    for(int i=0; i<100; i++)
        shared_print(string("From main: "), i);

    t1.join();
    return 0;
}

    修改完之后，运行可以发现打印没有问题了。但是还有一个隐藏着的问题，如果mu.lock()和mu.unlock()之间的语句发生了异常，会发生什么？unlock()语句没有机会执行！导致导致mu一直处于锁着的状态，其他使用shared_print()函数的线程就会阻塞。

    解决这个问题也很简单，使用c++中常见的RAII技术，即获取资源即初始化(Resource Acquisition Is Initialization)技术，这是c++中管理资源的常用方式。简单的说就是在类的构造函数中创建资源，在析构函数中释放资源，因为就算发生了异常，c++也能保证类的析构函数能够执行。我们不需要自己写个类包装mutex，c++库已经提供了std::lock_guard类模板，使用方法如下：

    void shared_print(string msg, int id) {
    //构造的时候帮忙上锁，析构的时候释放锁
    std::lock_guard<std::mutex> guard(mu);
    //mu.lock(); // 上锁
    cout << msg << id << endl;
    //mu.unlock(); // 解锁
}

    可以实现自己的std::lock_guard，类似这样：

    class MutexLockGuard
{
 public:
  explicit MutexLockGuard(std::mutex& mutex)
    : mutex_(mutex)
  {
    mutex_.lock();
  }

  ~MutexLockGuard()
  {
    mutex_.unlock();
  }

 private:
  std::mutex& mutex_;
};

    为保护共享数据精心组织代码

    上面的std::mutex互斥元是个全局变量，他是为shared_print()准备的，这个时候，我们最好将他们绑定在一起，比如说，可以封装成一个类。由于cout是个全局共享的变量，没法完全封装，就算你封装了，外面还是能够使用cout，并且不用通过锁。下面使用文件流举例：

    #include <iostream>
#include <thread>
#include <string>
#include <mutex>
#include <fstream>
using namespace std;

std::mutex mu;
class LogFile {
    std::mutex m_mutex;
    ofstream f;
public:
    LogFile() {
        f.open("log.txt");
    }
    ~LogFile() {
        f.close();
    }
    void shared_print(string msg, int id) {
        std::lock_guard<std::mutex> guard(mu);
        f << msg << id << endl;
    }
};

void function_1(LogFile& log) {
    for(int i=0; i>-100; i--)
        log.shared_print(string("From t1: "), i);
}

int main()
{
    LogFile log;
    std::thread t1(function_1, std::ref(log));

    for(int i=0; i<100; i++)
        log.shared_print(string("From main: "), i);

    t1.join();
    return 0;
}

    上面的LogFile类封装了一个mutex和一个ofstream对象，然后shared_print函数在mutex的保护下，是线程安全的。使用的时候，先定义一个LogFile的实例log，主线程中直接使用，子线程中通过引用传递过去（也可以使用单例来实现）,这样就能保证资源被互斥锁保护着，外面没办法使用但是使用资源。

    但是这个时候还是得小心了！用互斥元保护数据并不只是像上面那样保护每个函数，就能够完全的保证线程安全，如果将资源的指针或者引用不小心传递出来了，所有的保护都白费了！要记住一下两点：

    1. 不要提供函数让用户获取资源。

      std::mutex mu;
class LogFile {
    std::mutex m_mutex;
    ofstream f;
public:
    LogFile() {
        f.open("log.txt");
    }
    ~LogFile() {
        f.close();
    }
    void shared_print(string msg, int id) {
        std::lock_guard<std::mutex> guard(mu);
        f << msg << id << endl;
    }
    // Never return f to the outside world
    ofstream& getStream() {
        return f;  //never do this !!!
    }
};

    2. 不要资源传递给用户的函数。

      class LogFile {
    std::mutex m_mutex;
    ofstream f;
public:
    LogFile() {
        f.open("log.txt");
    }
    ~LogFile() {
        f.close();
    }
    void shared_print(string msg, int id) {
        std::lock_guard<std::mutex> guard(mu);
        f << msg << id << endl;
    }
    // Never return f to the outside world
    ofstream& getStream() {
        return f;  //never do this !!!
    }
    // Never pass f as an argument to user provided function
    void process(void fun(ostream&)) {
        fun(f);
    }
};

    以上两种做法都会将资源暴露给用户，造成不必要的安全隐患。

    接口设计中也存在竞争条件

    STL中的stack类是线程不安全的，于是你模仿着想写一个属于自己的线程安全的类Stack。于是，你在push和pop等操作得时候，加了互斥锁保护数据。但是在多线程环境下使用使用你的Stack类的时候，却仍然有可能是线程不安全的，why？

    假设你的Stack类的接口如下：

    class Stack
{
public:
    Stack() {}
    void pop(); //弹出栈顶元素
    int& top(); //获取栈顶元素
    void push(int x);//将元素放入栈
private:
    vector<int> data; 
    std::mutex _mu; //保护内部数据
};

    类中的每一个函数都是线程安全的，但是组合起来却不是。加入栈中有9,3,8,6共4个元素，你想使用两个线程分别取出栈中的元素进行处理，如下所示：

       Thread A                Thread B
int v = st.top(); // 6
                      int v = st.top(); // 6
st.pop(); //弹出6
                      st.pop(); //弹出8
                      process(v);//处理6
process(v); //处理6

    可以发现在这种执行顺序下， 栈顶元素被处理了两遍，而且多弹出了一个元素8，导致`8没有被处理！这就是由于接口设计不当引起的竞争。解决办法就是将这两个接口合并为一个接口！就可以得到线程安全的栈。

    class Stack
{
public:
    Stack() {}
    int& pop(); //弹出栈顶元素并返回
    void push(int x);//将元素放入栈
private:
    vector<int> data; 
    std::mutex _mu; //保护内部数据
};

//下面这样使用就不会发生问题
int v = st.pop(); // 6
process(v);

    但是注意：这样修改之后是线程安全的，但是并不是异常安全的，这也是为什么STL中栈的出栈操作分解成了两个步骤的原因。（为什么不是异常安全的还没想明白。。）

    所以，为了保护共享数据，还得好好设计接口才行。

    参考

    1. C++并发编程实战
    2. C++ Threading #3: Data Race and Mutex
    多线程c++11c++
    朱宇清
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