C++之条件竞争

背景

在多线程编程中，线程间共享数据是一种常见的情况。然而，如果不加以处理，共享数据可能导致一些问题，如条件竞争。在这篇博客中，我们将介绍C++线程共享数据的问题，包括条件竞争的概念以及防止恶性条件竞争的方法。

什么是条件竞争？

条件竞争（Race Condition）是指多个线程在访问和操作共享数据时，由于它们的执行顺序未加以控制，导致程序的执行结果可能出现不可预测的错误。例如，当两个线程同时读取一个变量，然后对其进行修改并将修改后的值写回时，可能会出现以下情况：两个线程读取到相同的初始值，各自进行修改，但最后只有一个线程的修改被写回，另一个线程的修改被覆盖。

下面是一个简单的例子，演示了条件竞争的问题：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <vector>

int counter = 0;

void increment() {
    for (int i = 0; i < 100000; ++i) {
        ++counter;
    }
}

int main() {
    std::vector<std::thread> threads;

    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        threads.push_back(std::thread(increment));
    }

    for (auto& t : threads) {
        t.join();
    }

    std::cout << "Counter: " << counter << std::endl;
    return 0;
}

在这个例子中，我们创建了一个名为increment的函数，它对一个全局变量counter进行递增操作。然后，我们创建了5个线程，并将它们添加到线程向量中。最后，我们遍历线程向量，调用join()函数等待所有线程执行完成。理论上，counter的值应该为500000，但由于条件竞争的存在，实际输出的值可能会小于这个数字。

如何防止恶性条件竞争？

为了防止恶性条件竞争，我们需要确保在任何时候只有一个线程可以访问共享数据。C++标准库提供了多种同步原语，如互斥锁（std::mutex）、递归互斥锁（std::recursive_mutex）、读写锁（std::shared_mutex）等，帮助我们实现线程间的同步。

下面是一个使用std::mutex解决条件竞争问题的例子：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <vector>
#include <mutex>

int counter = 0;
std::mutex mtx;

void increment() {
    for (int i = 0; i < 100000; ++i) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
        ++counter;
        lock.unlock();
    }
}

int main() {
    std::vector<std::thread> threads;

    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        threads.push_back(std::thread(increment));
    }

    for (auto& t : threads) {
        t.join();
    }

    std::cout << "Counter: " << counter << std::endl;
    return 0;
}

在这个例子中，我们使用了std::mutex来保护共享数据counter。在increment函数中，我们使用std::unique_lock来锁定互斥锁，确保在同一时刻只有一个线程可以访问counter。当线程完成对counter的操作后，我们解锁互斥锁，允许其他线程访问共享数据。这样，我们就避免了条件竞争问题，程序的输出结果将始终为500000。

除了使用互斥锁之外，我们还可以使用其他同步原语来解决条件竞争问题。例如，我们可以使用std::atomic类型来实现原子操作，这些操作在底层硬件层面上确保了在同一时刻只有一个线程可以访问共享数据。下面是一个使用std::atomic解决条件竞争问题的例子：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <vector>
#include <atomic>

std::atomic<int> counter(0);

void increment() {
    for (int i = 0; i < 100000; ++i) {
        ++counter;
    }
}

int main() {
    std::vector<std::thread> threads;

    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        threads.push_back(std::thread(increment));
    }

    for (auto& t : threads) {
        t.join();
    }

    std::cout << "Counter: " << counter << std::endl;
    return 0;
}

在这个例子中，我们将counter变量的类型更改为std::atomic，并对其进行原子递增操作。这样，我们无需使用互斥锁便可以避免条件竞争问题。

最后

总结一下，在这篇博客中，我们介绍了C++线程共享数据的问题，包括条件竞争的概念以及防止恶性条件竞争的方法。通过使用C++标准库提供的同步原语，如互斥锁和原子类型，我们可以有效地解决条件竞争问题，确保程序的正确性和稳定性。在进行多线程编程时，我们需要时刻关注线程间共享数据的安全问题，避免因条件竞争导致的潜在风险。