5. 使用互斥量保护共享数据

Posted 2023-01-11 ^江流儿^

使用互斥量保护共享数据

1. C++中使用互斥量
   • C++通过实例化std::mutex创建互斥量，通过调用成员函数lock()进行加锁，unlock()进行解锁，在实践中不推荐直接调用成员函数，因为调用成员函数就意味着，必须记住在每个函数的出口都需要调用unlock()，同时包括异常的情况，C++中推荐使用lock_guard实例对数据进行保护 ，lock_guard和mutex都在<mutex>头文件中进行声明

   #include<list>
   #include<mutex>
   std::list<int>li;
   std::mutex li_mutex;
   void add_to_list(int num)
   	std::lock_guard<mutex>guard(li_mutex);
   	li.push_back(num);
   
   bool list_contain(int value_to_find)
   	std::lock_guard<mutex>guard(li_mutex);
   	return std::find(li.begin(),li.end(),value_to_find) != li.end();
   
   

   上述代码中使用全局变量进行保护，通常情况下没有问题，但是大多情况下，互斥量和保护的数据放在同一个类中。
   当一个成员函数返回的是保护数据的指针的或者引用的时候，会破坏数据的保护，具有访问能力的指针或者引用可以访问或者修改被保护的数据，而不会被互斥锁限制，因此在设计互斥量的时候需要能够锁住任何数据的访问方式，不留后门

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2. 精心组织代码来保护共享数据
   • 在确保成员函数不会传出指针或者引用的同时，检查成员函数是否通过指针或者引用的方式了来调用同样重要，函数可能在没有互斥量保护的地方存储这指针或者引用，例如如下代码：

   class foo
    private:
    	int data;
   	mutex _mutex;
    public:
    	template<class Function>
   	void dowork(Function func)
   		lock_guard<mutex>g(_mutex);
   		func(data);
   	
   
   int * danger_pointer;
   void danger_func(int & tmp)
   	danger_pointer = &tmp;
   
   int main()
   	foo f;
   	f.dowork(danger_func);
   
   

   上述代码中，虽然有互斥锁的保护，但是foo中的数据依旧通过指针被传递给了danger_pointer，切记不要将受保护的数据的指针或者 引用传递到互斥锁的作用和与之外

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3. 发现接口内在的条件竞争
   • 元素操作
     在多线程开发中，对于共享资源存在竞争条件，例如上一个线程可能对栈进行了某种判别条件，但是时间片很快切给了下一个线程，可能会导致上一个进程的判别条件发生改变，但是程序不会重复执行判别代码，如下；

   stack<int>sta;
   void process_1()
   	if(sta.empty())
   		...
   	
   
   void process_2()
   	sta.push(...);
   
   int main()
   	thread t1(process_1);
   	thread t2(process_2);
   	t1.join();
   	t2.join();
   
   

   在上述例子中，可能第一个进程刚 判断了栈为空，还没进行下面的操作，第二个线程就向栈中添加了元素，第一个线程的判断条件将不在成立，但是仍然会进行下面的操作。

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4. 多线程中的元素转移问题
   举个例子，假设有一个stack<vector>，当vector中有大量元素的时候，拷贝其中的内容可能会发生bad_alloc的异常，如果此时调用stack中的pop方法，可能造成栈顶元素确实从栈中弹出，但是并没有足够的空间对其进行拷贝，这个时候，有就会丢失，基本的解决办法就是先拷贝，再弹出，这样又会产生空间不足的问题。针对这种问题，有如下几个方法可以进行解决。
   • 传入一个引用
     将变量的引用作为参数传递到pop函数当中

   std::vector<int>res;
   sta.pop(res);
   此处pop函数具体如下：
   void pop(vector<int>& res)
   	lock_guard<mutex>loc(m);
   	if(sta.empty())
   		throw empty_stack();
   	res = data.top();
   	data.pop();
   
   

   • 返回弹出值的指针
     返回指针和返回引用的原理是一样的

   auto ptr = sta.pop();
   此处pop函数的具体实现如下：
   std::shared_ptr<T> pop()
   	std::loc_guard<mutex>loc(m);
   	if(data.empty()) throw empty_stack();
   	shared_ptr<T>const res(std::make_shared<T>(data.top()));
   	return res;
   
   

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4. 死锁问题
   死锁产生的四个必要条件分别为1. 互斥条件 2. 不可剥夺条件 3. 请求和保持条件 4. 循环等待条件

互斥条件：资源是独占的且排他使用，进程互斥使用资源，即任意时刻一个资源只能给一个进程使用，其他进程若申请一个资源，
而该资源被另一进程占有时，则申请者等待直到资源被占有者释放。
不可剥夺条件：进程所获得的资源在未使用完毕之前，不被其他进程强行剥夺，而只能由获得该资源的进程资源释放。
请求和保持条件：进程每次申请它所需要的一部分资源，在申请新的资源的同时，继续占用已分配到的资源。
循环等待条件：在发生死锁时必然存在一个进程等待队列P1,P2,…,Pn,其中P1等待P2占有的资源，P2等待P3占有的资源，…，Pn等待P1占有的资源，形成一个进程等待环路，环路中每一个进程所占有的资源同时被另一个申请，也就是前一个进程占有后一个进程所深情地资源。
以上给出了导致死锁的四个必要条件，只要系统发生死锁则以上四个条件至少有一个成立。事实上循环等待的成立蕴含了前三个条件的成立，似乎没有必要列出然而考虑这些条件对死锁的预防是有利的，因为可以通过破坏四个条件中的任何一个来预防死锁的发生。
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死锁的避免方法如下：

• 避免嵌套所
• 避免在持有锁的时候调用用户提供的代码
• 按照一定的顺序上锁
• 使用锁的层次结构
  对于这个方法，他的意思是对每个锁进行级别标注，当低层次的锁被锁上的时候，高层次的锁不允许上锁，原理类似于按一定的顺序上锁