【多线程】c++11多线程编程(三)——竞争条件与互斥锁
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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_;
};template<typename Mutex>
class lock_guard
{
private:
Mutex& m;
explicit lock_guard(lock_guard&);
lock_guard& operator=(lock_guard&);
public:
explicit lock_guard(Mutex& m_) : m(m_) {
m.lock();
}
lock_guard(Mutex& m_,adopt_lock_t) : m(m_)
{}
~lock_guard() {
m.unlock();
}
}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。
（cout 不是多线程安全的，需要自己实现同步，printf是多线程安全）
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（也可以使用单例模式来实现）,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：
-
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 !!! } }; -
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
top（）是取出栈顶元素，不会删掉栈里边的元素
pop（）是删除栈顶元素
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
锁的概念与使用
C++11 提供了几种锁，最常用的就是 std::mutex ，把它放到需要保护的代码段之前，调用它的 lock 方法实现加锁， unlock 实现解锁，加锁和解锁必须成对出现，否则会出现死锁的问题。
为了防止使用者忘记调用 unlock ，c++11 还提供了 scope_lock 和 unique_lock 两个对象来实现自动解锁，无须显式调用 unlock 了。
在 code3 目录下新建一个 code5.cpp 文件：
#include <iostream>
#include <functional>
#include <thread>
#include <memory>
#include <mutex>
class counter{
public:
void increase(){
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::microseconds(20));
std::cout<<"thread id: "<<std::this_thread::get_id()<<std::endl;
mtx_.lock();
counter_++;
mtx_.unlock();
}
void increase1(){
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::microseconds(20));
std::cout<<"thread id: "<<std::this_thread::get_id()<<std::endl;
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx_);
counter_++;
}
void print_counter() {
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx_);
std::cout<<"thread id: "<<std::this_thread::get_id()<<" counter: "<<counter_<<std::endl;
}
private:
int counter_ = 0;
std::mutex mtx_;
};
int main(){
counter ct;
std::thread thd1([&ct]{
ct.increase();
});
std::thread thd2([&ct]{
ct.increase1();
});
std::thread thd3([&ct]{
ct.print_counter();
});
thd1.join();
thd2.join();
thd3.join();
}编译和运行代码：在 build 目录下执行
g++ ../code5.cpp -o code5 -std=c++11 -lpthread && ./code5输出结果不唯一，以下是我的输出：
thread id: 140125434894080 counter: 0
thread id: 140125443286784
thread id: 140125451679488推荐使用 std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx_) 这种写法，可以保证不会忘记解锁。
std::mutex 锁上的并不是变量，所以上述代码并没有锁和变量绑定的操作。 std::mutex 其实是一种执行权的象征，当任何一线程的代码执行到 mtx_.lock(); 的时候，就开始尝试申请执行权，如果成功申请到，则可以继续执行，否则阻塞等待。有执行权的线程在 mtx_.unlock(); 之前，其他任何进行执行到 mtx_.lock(); 都会阻塞等待。取得执行权后执行的代码是任意的，可以对互斥变量进行更改，也可以什么都不做。
原子变量的概念与使用
C++11 还提供了原子变量来保证线程安全，对于一个原子变量来说对它的多线程操作是安全的。
对于仅仅是整形或者 bool 类型的多线程访问，我们可以使用原子变量来保证线程安全，比加锁的写法更加简单。
在 code3 目录下新建一个 code6.cpp 文件：
#include <iostream>
#include <functional>
#include <thread>
#include <memory>
#include <atomic>
class counter {
public:
counter() : counter_(0) {};
void increase() {
counter_++;
}
void print_counter() {
std::cout << "thread id: " << std::this_thread::get_id() << " counter: " << counter_ << std::endl;
}
private:
std::atomic<int> counter_;
};
int main() {
counter ct;
std::thread thd1([&ct] {
ct.increase();
});
std::thread thd2([&ct] {
ct.increase();
});
std::thread thd3([&ct] {
ct.print_counter();
});
thd1.join();
thd2.join();
thd3.join();
}编译和运行代码：在 build 目录下执行
g++ ../code6.cpp -o code6 -std=c++11 -lpthread && ./code6输出结果：
thread id: 139703679284992 counter: 2std::thread创建和运行线程std::join阻塞等待线程退出std::detch让线程独立运行- 线程组可以在一定程度上提高程序运行效率
- 原子变量与锁
