c 11 多執行緒程式設計三競爭條件與互斥鎖

併發**中最常見的錯誤之一就是競爭條件(race condition)。而其中最常見的就是資料競爭(data race)，從整體上來看，所有執行緒之間共享資料的問題，都是修改資料導致的，如果所有的共享資料都是唯讀的，就不會發生問題。但是這是不可能的，大部分共享資料都是要被修改的。

而c++中常見的cout就是乙個共享資源，如果在多個執行緒同時執行cout，你會發發現很奇怪的問題：

#include
#include
#include
using namespace std;
// 普通函式 無參
void
function_1()
intmain()

你有很大的機率發現列印會出現類似於from t1: from main: 64這樣奇怪的列印結果。cout是基於流的，會先將你要列印的內容放入緩衝區，可能剛剛乙個執行緒剛剛放入from t1:，另乙個執行緒就執行了，導致輸出變亂。而c語言中的printf不會發生這個問題。

解決辦法就是要對cout這個共享資源進行保護。在c++中，可以使用互斥鎖std::mutex進行資源保護，標頭檔案是#include，共有兩種操作：鎖定(lock)與解鎖(unlock)。將cout重新封裝成乙個執行緒安全的函式：

#include
#include
#include
#include
using namespace std;
std:
:mutex mu;
// 使用鎖保護
void
shared_print
(string msg,
int id)
void
function_1()
intmain()

修改完之後，執行可以發現列印沒有問題了。但是還有乙個隱藏著的問題，如果mu.lock()和mu.unlock()之間的語句發生了異常，會發生什麼？unlock()語句沒有機會執行！導致導致mu一直處於鎖著的狀態，其他使用shared_print()函式的執行緒就會阻塞。

解決這個問題也很簡單，使用c++中常見的raii技術，即獲取資源即初始化(resource acquisition is initialization)技術，這是c++中管理資源的常用方式。簡單的說就是在類的建構函式中建立資源，在析構函式中釋放資源，因為就算發生了異常，c++也能保證類的析構函式能夠執行。我們不需要自己寫個類包裝mutex，c++庫已經提供了std::lock_guard類模板，使用方法如下：

void
shared_print
(string msg,
int id)

可以實現自己的std::lock_guard，類似這樣：

class mutexlockguard
~mutexlockguard()
private:
std:
:mutex& mutex_;
};

上面的std::mutex互斥元是個全域性變數，他是為shared_print()準備的，這個時候，我們最好將他們繫結在一起，比如說，可以封裝成乙個類。由於cout是個全域性共享的變數，沒法完全封裝，就算你封裝了，外面還是能夠使用cout，並且不用通過鎖。下面使用檔案流舉例：

#include
#include
#include
#include
#include
using namespace std;
std:
:mutex mu;
class logfile 
~logfile()
void
shared_print
(string msg,
int id)};
void
function_1
(logfile& log)
intmain()

上面的logfile類封裝了乙個mutex和乙個ofstream物件，然後shared_print函式在mutex的保護下，是執行緒安全的。使用的時候，先定義乙個logfile的例項log，主線程中直接使用，子執行緒中通過引用傳遞過去（也可以使用單例來實現）,這樣就能保證資源被互斥鎖保護著，外面沒辦法使用但是使用資源。

但是這個時候還是得小心了！用互斥元保護資料並不只是像上面那樣保護每個函式，就能夠完全的保證執行緒安全，如果將資源的指標或者引用不小心傳遞出來了，所有的保護都白費了！要記住一下兩點：

不要提供函式讓使用者獲取資源。

std:
:mutex mu;
class logfile 
~logfile()
void
shared_print
(string msg,
int id)
// never return f to the outside world
ofstream&
getstream()
};

不要資源傳遞給使用者的函式。

class logfile 
~logfile()
void
shared_print
(string msg,
int id)
// never return f to the outside world
ofstream&
getstream()
// never pass f as an argument to user provided function
void
process
(void
fun(ostream&))
};

以上兩種做法都會將資源暴露給使用者，造成不必要的安全隱患。

stl中的stack類是執行緒不安全的，於是你模仿著想寫乙個屬於自己的執行緒安全的類stack。於是，你在push和pop等操作得時候，加了互斥鎖保護資料。但是在多執行緒環境下使用使用你的stack類的時候，卻仍然有可能是執行緒不安全的，why？

假設你的stack類的介面如下：

class stack
void
pop();
//彈出棧頂元素
int&
top();
//獲取棧頂元素
void
push
(int x)
;//將元素放入棧
private:
vector<
int> data; 
std:
:mutex _mu;
//保護內部資料
};

類中的每乙個函式都是執行緒安全的，但是組合起來卻不是。加入棧中有9,3,8,6共4個元素，你想使用兩個執行緒分別取出棧中的元素進行處理，如下所示：

thread a                thread b
int v = st.
top();
// 6
int v = st.
top();
// 6
st.pop()
;//彈出6
st.pop();
//彈出8
process
(v);
//處理6
process
(v);
//處理6

可以發現在這種執行順序下，棧頂元素被處理了兩遍，而且多彈出了乙個元素8，導致8沒有被處理！這就是由於介面設計不當引起的競爭。解決辦法就是將這兩個介面合併為乙個介面！就可以得到執行緒安全的棧。

class stack
int&
pop();
//彈出棧頂元素並返回
void
push
(int x)
;//將元素放入棧
private:
vector<
int> data; 
std:
:mutex _mu;
//保護內部資料};
//下面這樣使用就不會發生問題
int v = st.
pop();
// 6
process
(v);

但是注意：這樣修改之後是執行緒安全的，但是並不是異常安全的，這也是為什麼stl中棧的出棧操作分解成了兩個步驟的原因。（為什麼不是異常安全的還沒想明白。。）

所以，為了保護共享資料，還得好好設計介面才行。

c 11 多執行緒程式設計三競爭條件與互斥鎖

C 11多執行緒程式設計

C 11的多執行緒併發程式設計（三）

c 11 多執行緒程式設計原子

c 11 多執行緒程式設計 三 競爭條件與互斥鎖

C 11多執行緒程式設計

C 11的多執行緒併發程式設計（三）

c 11 多執行緒程式設計 原子

相關推薦

c 11 多執行緒程式設計三競爭條件與互斥鎖

c 11 多執行緒程式設計原子