C++11多线程(3)【数据竞争与互斥对象】

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。

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:

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#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,共有两种操作:锁定(lock)解锁(unlock)。将cout重新封装成一个线程安全的函数:

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#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()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mutexc++库已经提供了std::lock_guard类模板,使用方法如下:

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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:

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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:

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#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(m_mutex);
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。

  2. 不要资源传递给用户的函数。

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    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(m_mutex);
    f << msg << id << endl;
    }
    // 1.Never return f to the outside world
    ofstream& getStream() {
    return f; //never do this !!!
    }
    // 2.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pushpop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:

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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:

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   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。

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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。

作者:StormZhu

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