C++ Concurrency in Action 读书笔记

一、锁的根本目标：维持不变式

　　类一般都维持一些不变式，就是关于一个数据结构的总是为真的陈述（好像一般都是指内部变量的意义）。比如链表的两个不变式是，一个节点的next指针总是指向下一个节点，链表的number成员变量总是指明了节点总数。这些不变式总会在链表变动时被破坏，比如向链表插入一个节点时，总会有一个时刻，某个节点的next指针指向的不是它真正的下一个节点，number成员也会有一个时刻表达的不是节点真正的总数。如果在这些时刻有其它线程来操作这些不变式被破坏的地方，那就会引发竞争条件（最终的结果依赖于两个线程的执行次序）。所以锁的存在就是为了对外部保持不变式，不让外部接触到不变式暂时被破坏的地方。

二、单个锁的用法和注意事项

　　一个锁一般都是为了保护一份共享数据，只要有一个对数据的操作会破坏不变式，那么所有对这个数据的访问都要锁上这个锁，以防接触到被破坏的状态。由于这个锁和数据联系紧密，一般会封装在一个类里。在使用时，一般在成员方法开头用 std::lock_guard 或者 std::unique_lock 锁起来，而不是直接裸调 std::mutex::lock ，因为前两者可以使用RAII技术恰当地解锁。而且即使这个锁之前已经锁上了，或者稍后才要上锁，也最好将锁委托给 std::lock_guard 和 std::unique_lock 来解锁。

　　一个特别值得注意的问题是，千万不要把共享数据的指针或者引用传到锁的范围之外，比如用成员方法的参数或者返回值把它传到外面去，那显然数据就不再受锁的保护了。其它的危险方式还有：把共享数据的指针或者引用，存到外部可见的内存区，或者传递到用户提供的回调函数中（因为回调函数可能会把这个指针或引用存起来）。书中斜体字原文为：“Don't pass pointers and references to protected data outside the scope of the lock, whether by returning them from a function, storing them in externally visible memory, or passing them as arguments to user-supplied functions.”

　　即使这样，还是有潜在的危险：锁一般只能保证一个成员方法内部的正确性，如果两个成员方法之间有逻辑上的依赖关系，那锁就无能为力了。比如仅当 std::stack::empty() 返回 false 时，才能调用 std::stack::pop() ，虽然这两个方法内部都正确加了锁，但如果这个两个调用之间插入了另一个线程的 std::stack::pop()，显然就可能出问题。至于 std::stack 为什么这么设计，以及如何解决这个问题，因为有些复杂，这里不细说，详见书中讲述。这里简单总结解决方法：1.在外面构造好存放结果的变量，作为引用或指针传给 pop(result)；2.pop() 返回shared_ptr。

三、多个锁引起的问题：死锁

　　死锁的四个必要条件：互斥（一个资源每次只能被一个线程使用）、请求和保持、不剥夺、环路等待。

　　C++ 11提供的 std::lock() 可以一次给多个锁上锁，方便多了，但是需要同时拿到所有锁的对象（或指针引用）才可以，如果锁分散在多个模块中（比如用户回调函数中）就比较麻烦了。避免的方法有：

　　1. 持有一个锁时就不再请求另一个锁；
　　2. 持有锁时避免调用回调函数；
　　3. 如果一定要调回调函数的话，那就安排一个固定的锁次序；
　　4. 设计锁层次