C++笔记--线程间共享数据

Posted 2022-12-04 ljt2724960661

         当线程在访问共享数据的时候，必须制定一些规矩，用来限定线程可访问的数据位。还有，一个线程更新了共享数据，需要对其他线程进行通知。从易用性的角度，同一进程中的多个线程进行数据共享。错误的共享数据使用是产生并发bug的一个主要原因，当涉及到共享数据时，问题很可能是因为共享数据修改所导致。如果共享数据是只读的，那么只读操作不会影响到数据，更不会涉及对数据的修改，所以所有线程都会获得同样的数据。但是，当一个或多个线程要修改共享数据时，就会产生很多麻烦。这种情况下，就必须小心，才能确保一切所有线程都工作正常。

        线程间潜在问题就是修改共享数据，致使不变量遭到破坏。当不做些事来确保在这个过程中不会有其他线程进行访问的话，可能就有线程访问到刚刚删除一边的节点；这样的话，线程就读取到要删除节点的数据(因为只有一边的连接被修改，所以不变量就被破坏。破坏不变量的后果是多样，当其他线程按从左往右的顺序来访问列表时，它将跳过被删除的节点。在一方面，如有第二个线程尝试删除从右向左的节点，那么可能会让数据结构产生永久性的损坏，使程序崩溃。无论结果如何，都是并行代码常见错误：条件竞争。

  使用互斥量保护共享数据
         当程序中有共享数据，肯定不想让其陷入条件竞争，或是不变量被破坏。那么，将所有访问共享数据结构的代码都标记为互斥岂不是更好？这样任何一个线程在执行这些代码时，其他任何线程试图访问共享数据结构，就必须等到那一段代码执行结束。于是，一个线程就不可能会看到被破坏的不变量，除非它本身就是修改共享数据的线程。
         当访问共享数据前，使用互斥量将相关数据锁住，再当访问结束后，再将数据解锁。线程库需要保证，当一个线程使用特定互斥量锁住共享数据时，其他的线程想要访问锁住的数据， 都必须等到之前那个线程对数据进行解锁后，才能进行访问。这就保证了所有线程能看到共享数据，而不破坏不变量。

 代码1:

int g_i = 0;
std::mutex g_i_mutex;

void safe_increment() 
    std::lock_guard lock(g_i_mutex); //safe_increment结束时自动解锁
    g_i++;

代码2：

#include <list>
#include <mutex>
#include <algorithm>

std::list<int> some_list;    // 1
std::mutex some_mutex;    // 2

void add_to_list(int new_value)

  std::lock_guard<std::mutex> guard(some_mutex);    // 3
  some_list.push_back(new_value);


bool list_contains(int value_to_find)

  std::lock_guard<std::mutex> guard(some_mutex);    // 4
  return std::find(some_list.begin(),some_list.end(),value_to_find) != some_list.end();

分析: 有一个全局变量1，这个全局变量被一个全局的互斥量保护2。add_to_list()3和list_contains()4函数中使用std::lock_guard<std::mutex>，使得这两个函数中对数据的访问是互斥的：list_contains()不可能看到正在被add_to_list()修改的列表。

组织代码来保护共享数据

         使用互斥量来保护数据，并不是仅仅在每一个成员函数中都加入一个std::lock_guard对象那么简单；一个迷失的指针或引用，将会让这种保护形同虚设。不过，检查迷失指针或引用是很容易的，只要没有成员函数通过返回值或者输出参数的形式向其调用者返回指向受保护数据的指针或引用，数据就是安全的。在确保成员函数不会传出指针或引用的同时，检查成员函数是否通过指针或引用的方式来调用也是很重要的(尤其是这个操作不在你的控制下时)。函数可能没在互斥量保护的区域内，存储着指针或者引用，这样就很危险。更危险的是：将保护数据作为一个运行时参数，
如下:

class some_data

  int a;
  std::string b;
public:
  void do_something();
;

class data_wrapper

private:
  some_data data;
  std::mutex m;
public:
  template<typename Function>
  void process_data(Function func)
  
    std::lock_guard<std::mutex> l(m);
    func(data);    // 1 传递“保护”数据给用户函数
  
;

some_data* unprotected;

void malicious_function(some_data& protected_data)

  unprotected=&protected_data;


data_wrapper x;
void foo()

  x.process_data(malicious_function);    // 2 传递一个恶意函数
  unprotected->do_something();    // 3 在无保护的情况下访问保护数据

分析:std::lock_guard对数据做了很好的保护，但调用用户提供的函数func1，就意味着foo能够绕过保护机制将函数malicious_function传递进去2，在没有锁定互斥量的情况下调用do_something()。

死锁：问题描述及解决

      线程有对锁的竞争：一对线程需要对他们所有的互斥量做一些操作，其中每个线程都有一个互斥量，且等待另一个解锁。这样没有线程能工作，因为他们都在等待对方释放互斥量。这种情况就是死锁，它的最大问题就是由两个或两个以上的互斥量来锁定一个操作。

          避免死锁的一般建议，就是让两个互斥量总以相同的顺序上锁：总在互斥量B之前锁住互斥量A，就永远不会死锁。某些情况下是可以这样用，因为不同的互斥量用于不同的地方。不过，事情没那么简单，比如：当有多个互斥量保护同一个类的独立实例时，一个操作对同一个类的两个不同实例进行数据的交换操作，为了保证数据交换操作的正确性，就要避免数据被并发修改，并确保每个实例上的互斥量都能锁住自己要保护的区域。不过，选择一个固定的顺序(例如，实例提供的第一互斥量作为第一个参数，提供的第二个互斥量为第二个参数)，可能会适得其反：在参数交换了之后，两个线程试图在相同的两个实例间进行数据交换时，程序又死锁了.

       C++标准库有办法解决这个问题，std::lock——可以一次性锁住多个(两个以上)的互斥量，并且没有副作用(死锁风险)。下面的程序清单中，就来看一下怎么在一个简单的交换操作中使用std::lock。

class some_big_object;
void swap(some_big_object& lhs,some_big_object& rhs);
class X

private:
  some_big_object some_detail;
  std::mutex m;
public:
  X(some_big_object const& sd):some_detail(sd)

  friend void swap(X& lhs, X& rhs)
  
    if(&lhs==&rhs)
      return;
    std::lock(lhs.m,rhs.m); // 1
    std::lock_guard<std::mutex> lock_a(lhs.m,std::adopt_lock); // 2
    std::lock_guard<std::mutex> lock_b(rhs.m,std::adopt_lock); // 3
    swap(lhs.some_detail,rhs.some_detail);
  
;