基础数据类型多线程是否需要加锁

Posted 2020-10-12 God-father

对于多线程访问同一变量是否需要加锁的问题，先前大家都讨论过。今天用代码验证了一下之前的猜想:32位CPU与内存的最小交换数据为4字节/次，这也是结构体要对齐4字节的原因。在物理上，CPU对于同一4字节的内存单元，不可能写2个字节的同时，又读了3字节。

测试环境为：

XEON 2CPU*2
Windows7

采用50,50,50线程交叉读写，试验代码如下：

C/C++ code

 

?

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59

<br data-filtered="filtered"> int g_test;<br data-filtered="filtered"> int temp;<br data-filtered="filtered"> BOOL g_bRunning;<br data-filtered="filtered"> DWORD WINAPI thWriteProc1(LPVOID lParam)<br data-filtered="filtered"> {<br data-filtered="filtered">     while(g_bRunning)<br data-filtered="filtered">     {<br data-filtered="filtered">         g_test = 12345678;<br data-filtered="filtered">         Sleep(1);<br data-filtered="filtered">     }<br data-filtered="filtered">     return 0;<br data-filtered="filtered"> }<br data-filtered="filtered"> DWORD WINAPI thWriteProc2(LPVOID lParam)<br data-filtered="filtered"> {<br data-filtered="filtered">     while(g_bRunning)<br data-filtered="filtered">     {<br data-filtered="filtered">         g_test = 13579246;<br data-filtered="filtered">         Sleep(1);<br data-filtered="filtered">     }<br data-filtered="filtered">     return 0;<br data-filtered="filtered"> }<br data-filtered="filtered"> <br data-filtered="filtered"> DWORD WINAPI thReadProc(LPVOID lParam)<br data-filtered="filtered"> {<br data-filtered="filtered">     while(g_bRunning)<br data-filtered="filtered">     {<br data-filtered="filtered">         temp = g_test;//读取值<br data-filtered="filtered">         if ( temp != 12345678 && temp != 13579246 )<br data-filtered="filtered">         {<br data-filtered="filtered">             g_bRunning = FALSE;<br data-filtered="filtered">             CString str;<br data-filtered="filtered">             str.Format("read error!%d", temp);<br data-filtered="filtered">             AfxMessageBox(str);<br data-filtered="filtered">             break;<br data-filtered="filtered">         }<br data-filtered="filtered">         Sleep(1);<br data-filtered="filtered">     }<br data-filtered="filtered">     return 0;<br data-filtered="filtered"> }<br data-filtered="filtered"> void CTestMultiyAccessIntDlg::OnButton1() <br data-filtered="filtered"> {<br data-filtered="filtered">     g_bRunning = TRUE;<br data-filtered="filtered">     for ( int i = 0; i < 50; i++ )<br data-filtered="filtered">     {<br data-filtered="filtered">         //创建50个写线程1<br data-filtered="filtered">         CreateThread( NULL, 0, thWriteProc1, NULL, 0, NULL );<br data-filtered="filtered">     }<br data-filtered="filtered">     for ( int i = 0; i < 50; i++ )<br data-filtered="filtered">     {<br data-filtered="filtered">         //创建50个写线程2<br data-filtered="filtered">         CreateThread( NULL, 0, thWriteProc2, NULL, 0, NULL );<br data-filtered="filtered">     }<br data-filtered="filtered">     for ( int i = 0; i < 50; i++ )<br data-filtered="filtered">     {<br data-filtered="filtered">         //创建50个读线程<br data-filtered="filtered">         CreateThread( NULL, 0, thReadProc, NULL, 0, NULL );<br data-filtered="filtered">     }<br data-filtered="filtered"> }<br data-filtered="filtered">

测试方法：
改变g_test的类型，给g_test赋予不同的值(不要超过类型的上限值)

测试现象：
当g_test为int,short char时，不存在多线程交叉读写错误的问题
当g_test为double, float, __int64时，存在多线程交叉读写错误的问题，对于__int64，当赋值小于0xFFFFFFFF时不出错，当大于0xFFFFFFFF时出错
当g_test为CString时，存在交叉读写错误，有时候程序崩溃
另：不加Sleep(1)机器卡死过，CPU占用率达到100%，4个核心占用率全满，可以保证运行在多核环境下

现象分析：
(1)int short char均为小于4字节的连续内存块，CPU一条指令就可以读写它们的值，CPU不可能同一个时间执行两条指令
(2)double为8字节，如果写线程先写了4字节，读线程读了8字节，这自然导致数据被破坏
(3)float也为4字节，我也不是太清楚为什么不行，可能是VC对浮点数的处理比较特殊有关，浮点数具有复杂内存结构
(4)__int64为8字节，存在和(2)相同的情况，如果__int64小于等于0xFFFFFFFF，相当于只改变了低4字节，因此就没有问题
(5)CString为类类型，具有复杂结构，显然不行

结论：
1.对于int,short,char,BOOL等小于等于4字节的简单数据类型，如果无逻辑上的先后关系，多线程读写可以完全不用加锁
2.尽管float为4字节，多线程访问时也需要加锁
3.对于大于4字节的简单类型，比如double,__int64等，多线程读写必须加锁。
4.对于所有复杂类型，比如类，结构体，容器等类型必须加锁

尽管对int等类型的多线程读写不需要加锁，但是逻辑上有必要加锁的还是应该加锁
例如：对于一个多线程访问的全局变量int g_test
int count = g_test/1024;
int mod = g_test%1024;
由于是两条语句，执行完第一条之后，别的线程很可能已经修改了g_test的值，如果希望这两条语句执行时，g_test不发生变化，就必须加锁，以保证两条语句执行的整体性。
Lock();
int count = g_test/1024;
int mod= g_test%1024;
UnLock();
如果不加锁，也可以改为先保存到一个临时变量里
int temp = g_test;
int count = temp/1024;
int mod = temp%1024;