C++11 多线程 - Part 4: 数据共享和争用条件

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

在多线程环境中，线程间的数据共享非常容易。但是这种简单的数据共享可能会造成应用程序出现问题。其中一个问题就是争用条件。

什么是争用条件

争用条件是一种发生在多线程应用程序中的bug
当两个或多个线程同时执行一系列的操作时，这些操作访问相同的内存位置。此外，他们其中的一个或多个线程修改该内存位置中的数据，这种有时会导致意外的结果。

这就叫作争用条件。

争用条件通常很难发现和再现，因为他们不是每次都会发生。
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，才会发生这种情况。让我们通过一个例子来理解，

争用条件的一个实例

让我们创建一个Wallet类，它在内部维护money并提供一个服务/功能，即addMoney()。此成员函数按指定的计数递增wallet对象的内部money。

class Wallet
{
    int mMoney;  // 默认是private
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一个Wallet类的相同对象，并使用其addMoney()成员函数并行向内部money添加1000个。
所以，如果最初钱包里的钱是0。完成所有线程的执行后，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，在某些情况下，最终钱包中的钱可能远低于5000。
我们来测试一下，

#include<iostream>
#include<thread>
#include <vector>
class Wallet
{
    int mMoney;  // 默认是private
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;
}

由于同一Wallet类对象的addMoney() 成员函数执行了5次，因此它的内部货币预计为5000。但由于addMoney()成员函数是并行执行的，因此在某些情况下，mMoney将比5000小得多，即：

/*输出结果：
Error at count = 0 Money in Wallet = 4000
Error at count = 3 Money in Wallet = 3603
Error at count = 7 Money in Wallet = 3695
…
Error at count = 925 Money in Wallet = 4694
Error at count = 928 Money in Wallet = 4591
*/

这是一个争用条件，因为这里两个或多个线程同时试图修改同一内存位置，并且导致了意外的结果。

为什么发生这种情况

每个线程并行地递增同一“mMoney”成员变量。虽然看起来只有一行，但是这个“mMoney++”实际上被转换成了三个机器命令，
* 在寄存器中加载“mMoney”变量值
* 递增寄存器的值
* 用寄存器的值更新变量“mMoney”

现在假设在一个特殊的场景中，上面这些命令的执行顺序如下，


在这种情况下，一个增量将被忽略，因为不同的寄存器将被递增，而“mMoney”变量的值将被覆盖，而不是将“mMoney”变量递增两次。
假设在此场景之前，mMoney是46，如上图所示，它增加了2次，所以预期结果是48。但由于上述场景中的争用条件，最终的mMoney将仅为47。

这被称为争用条件。

如何解决争用条件

为了解决这个问题，我们需要使用锁机制，即在修改或读取共享数据之前，每个线程都需要获取一个锁，在修改数据之后，每个线程都应该解锁该锁。
我们将在下一篇文章中讨论这个问题。