c++11 多线程编程(三）------ 竞争和互斥锁

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_;
};

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。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 worldofstream& 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 worldofstream& getStream() {return f;  //never do this !!!}// Never pass f as an argument to user provided functionvoid 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(); // 6int v = st.top(); // 6
st.pop(); //弹出6st.pop(); //弹出8process(v);//处理6
process(v); //处理6

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

C++并发编程实战
C++ Threading #3: Data Race and Mutex