探究在C++程序并发时保护共享数据的问题

 我们先通过一个简单的代码来了解该问题。

同步问题

我们使用一个简单的结构体 Counter,该结构体包含一个值以及一个方法用来改变这个值:

 

struct Counter {

int value;

void increment(){

++value;

}

};

然后启动多个线程来修改结构体的值:

 

int main(){

Counter counter;

std::vector<std::thread> threads;

for(int i = 0; i < 5; ++i){

threads.push_back(std::thread([&counter](){

for(int i = 0; i < 100; ++i){

counter.increment();

}

}));

}

for(auto& thread : threads){

thread.join();

}

std::cout << counter.value << std::endl;

return 0;

}

我们启动了5个线程来增加计数器的值,每个线程增加了100次,然后在线程结束时打印计数器的值。


但我们运行这个程序的时候,我们是希望它会答应500,但事实不是如此,没人能确切知道程序将打印什么结果,下面是在我机器上运行后打印的数据,而且每次都不同:

 

442

500

477

400

422

487

问题的原因在于改变计数器值并不是一个原子操作,需要经过下面三个操作才能完成一次计数器的增加:

  •     首先读取 value 的值
  •     然后将 value 值加1
  •     将新的值赋值给 value

但你使用单线程来运行这个程序的时候当然没有任何问题,因此程序是顺序执行的,但在多线程环境中就有麻烦了,想象下下面这个执行顺序:

  •     Thread 1 : 读取 value, 得到 0, 加 1, 因此 value = 1
  •     Thread 2 : 读取 value, 得到 0, 加 1, 因此 value = 1
  •     Thread 1 : 将 1 赋值给 value,然后返回 1
  •     Thread 2 : 将 1 赋值给 value,然后返回 1

这种情况我们称之为多线程的交错执行,也就是说多线程可能在同一个时间点执行相同的语句,尽管只有两个线程,交错的现象也很明显。如果你有更多的线程、更多的操作需要执行,那么这个交错是必然发生的。

有很多方法来解决线程交错的问题:

  •     信号量 Semaphores
  •     原子引用 Atomic references
  •     Monitors
  •     Condition codes
  •     Compare and swap

在这篇文章中我们将学习如何使用信号量来解决这个问题。信号量也有很多人称之为互斥量(Mutex),同一个时间只允许一个线程获取一个互斥对象的锁,通过 Mutex 的简单属性就可以用来解决交错的问题。

使用 Mutex 让计数器程序是线程安全的

在 C++11 线程库中,互斥量包含在 mutex 头文件中,对应的类是 std::mutex,有两个重要的方法 mutex:lock() 和 unlock() ,从名字上可得知是用来锁对象以及释放锁对象。一旦某个互斥量被锁,那么再次调用 lock() 返回堵塞值得该对象被释放。

为了让我们刚才的计数器结构体是线程安全的,我们添加一个 set:mutext 成员,并在每个方法中通过 lock()/unlock() 方法来进行保护:

 

struct Counter {

std::mutex mutex;

int value;

Counter() : value(0) {}

void increment(){

mutex.lock();

++value;

mutex.unlock();

}

};

然后我们再次测试这个程序,打印的结果就是 500 了,而且每次都一样。

异常和锁

现在让我们来看另外一种情况,想象我们的的计数器有一个减操作,并在值为0的时候抛出异常:

 

struct Counter {

int value;

Counter() : value(0) {}

void increment(){

++value;

}

void decrement(){

if(value == 0){

throw "Value cannot be less than 0";

}

--value;

}

};

然后我们不需要修改类来访问这个结构体,我们创建一个封装器:

 

struct ConcurrentCounter {

std::mutex mutex;

Counter counter;

void increment(){

mutex.lock();

counter.increment();

mutex.unlock();

}

void decrement(){

mutex.lock();

counter.decrement();

mutex.unlock();

}

};

大部分时候该封装器运行挺好,但是使用 decrement 方法的时候就会有异常发生。这是一个大问题,一旦异常发生后,unlock 方法就没被调用,导致互斥量一直被占用,然后整个程序就一直处于堵塞状态(死锁),为了解决这个问题我们需要用 try/catch 结构来处理异常情况:

 

void decrement(){

mutex.lock();

try {

counter.decrement();

} catch (std::string e){

mutex.unlock();

throw e;

}

mutex.unlock();

}

这个代码并不难,但看起来很丑,如果你一个函数有 10 个退出点,你就必须为每个退出点调用一次 unlock 方法,或许你可能在某个地方忘掉了 unlock ,那么各种悲剧即将发生,悲剧发生将直接导致程序死锁。

接下来我们看如何解决这个问题。

自动锁管理

当你需要包含整段的代码(在我们这里是一个方法,也可能是一个循环体或者其他的控制结构),有这么一种好的解决方法可以避免忘记释放锁,那就是 std::lock_guard.

这个类是一个简单的智能锁管理器,但创建 std::lock_guard 时,会自动调用互斥量对象的 lock() 方法,当 lock_guard 析构时会自动释放锁,请看下面代码:

 

struct ConcurrentSafeCounter {

std::mutex mutex;

Counter counter;

void increment(){

std::lock_guard<std::mutex> guard(mutex);

counter.increment();

}

void decrement(){

std::lock_guard<std::mutex> guar(mutex);

mutex.unlock();

}

};

是不是看起来爽多了?

使用 lock_guard ,你不再需要考虑什么时候要释放锁,这个工作已经由 std::lock_guard 实例帮你完成。

结论

在这篇文章中我们学习了如何通过信号量/互斥量来保护共享数据。需要记住的是,使用锁会降低程序性能。在一些高并发的应用环境中有其他更好的解决办法,不过这不在本文的讨论范畴之内。

你可以在 Github 上获取本文的源码.

以上是 探究在C++程序并发时保护共享数据的问题 的全部内容, 来源链接: utcz.com/z/337657.html

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