C++11——多线程编程4

翻译来自：https://thispointer.com//c11-multithreading-part-4-data-sharing-and-race-conditions/

在多线程环境中，线程之间的数据共享非常容易。但是这种简单的数据共享可能会导致应用程序出现问题。一个这样的问题是Race Condition

什么是竞争条件？

竞争条件是多线程应用程序中发生的一种错误。

当两个或多个线程并行执行一组操作时，它们访问相同的内存位置。此外，其中的一个或多个线程会修改该内存位置中的数据，有时这可能会导致意外结果。

这称为竞争条件。

[showads ad=inside_post]

竞争条件通常很难找到和重现，因为它们不会每次都发生。只有当两个或多个线程执行操作的相对顺序导致意外结果时，它们才会发生。让我们通过一个例子来理解，

竞争条件的一个实际例子：

让我们创建一个 Wallet 类，它在内部维护货币并提供服务/功能，即 addMoney()。该成员函数按指定的计数增加钱包对象的内部货币。

class Wallet
{
    int mMoney;
public:
    Wallet() :mMoney(0) {}
    int getMoney() { return mMoney; }
    void addMoney(int money)
    {
        for (int i = 0; i < money; ++i)
        {
            mMoney++;
        }
    }
};

现在让我们创建 5 个线程，所有这些线程将共享相同的 Wallet 类对象，并并行使用其 addMoney() 成员函数向内部货币添加 1000。

 

所以，如果最初钱包里的钱是0，那么在所有线程的执行完成后，钱包里的钱应该是5000。

但是，由于所有线程都在同时修改共享数据，因此在某些情况下，最终钱包中的钱可能会远小于 5000。

让我们测试一下，

#include <iostream>
#include <thread>
#include <vector>
class Wallet
{
    int mMoney;
public:
    Wallet() :mMoney(0) {}
    int getMoney() { return mMoney; }
    void addMoney(int money)
    {
        for (int i = 0; i < money; ++i)
        {
            mMoney++;
        }
    }
};

int testMultithreadedWallet()
{
    Wallet walletObject;
    std::vector<std::thread> threads;
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        threads.push_back(std::thread(&Wallet::addMoney, &walletObject, 1000));
    }
    for (int i = 0; i < threads.size(); i++)
    {
        threads.at(i).join();
    }
    return walletObject.getMoney();
}
int main()
{
    int val = 0;
    for (int k = 0; k < 1000; k++)
    {
        if ((val = testMultithreadedWallet()) != 5000)
        {
            std::cout << "Error at count = " << k << " Money in Wallet = " << val << std::endl;
        }
    }
    return 0;
}

 

 

 

为什么会这样？

每个线程并行增加相同的“mMoney”成员变量。虽然看起来是一行，但是这个“mMoney++”实际上转换成了三个机器指令，

• 在寄存器中加载“mMoney”变量值
• 增加寄存器的值
• 用寄存器的值更新变量“mMoney”

比如

 

 

在这种情况下，一个增量将被忽略，因为不是将“mMoney”变量递增两次，而是不同的寄存器递增并且“mMoney”变量的值被覆盖。

假设在此场景之前 mMoney 为 46，如上图所示，它增加了 2 倍，因此预期结果为 48。但由于上述场景中的竞争条件，mMoney 的最终值仅为 47。

这称为竞争条件。

如何修复竞态条件？

为了解决这个问题，我们需要使用Lock机制，即每个线程在修改或读取共享数据之前需要获取一个锁，并且在修改数据之后每个线程都应该解锁锁。

我们将在下一篇文章中讨论这个问题，即

https://thispointer.com//c11-multithreading-part-5-using-mutex-to-fix-race-conditions/