混合 C 和 C++ 的线程同步

Posted 2023-02-16

【中文标题】混合 C 和 C++ 的线程同步

【英文标题】：Thread synchronization with mixed C and C++

【发布时间】：2014-01-26 05:53:31

【问题描述】：

我有一个多线程程序，主线程是第三方（无法更改）和纯 C。我的任务是围绕它构建新模块（在 C++ 中），这些模块部分驻留在其他线程中并且需要使用 C 程序的接口。基本上只是读取一些在 C 线程中存储和更新的变量（整数、浮点数，没什么复杂的）。

现在我的问题是：我如何确保在访问这些变量时不会从 C 接口中得到垃圾，因为我不能在读取时使用互斥锁来锁定它。这甚至可能吗？还是写一个浮点/整数是原子操作？

【问题讨论】：

混合 C/C++ 与问题关系不大。我建议将此线程称为“与外部库的数据同步”或类似的东西。

什么CPU和操作系统？我认为这将对什么是原子的，什么不是原子的产生影响。此外，您总是会遇到缓存问题，即其他线程已更改该值但尚未将其写入主 RAM，因此您最好不要做任何具有稍微过时的值是致命问题的事情。

我就是这么想的……我不想让它依赖于一些特殊的架构。

@fewu - 您能否详细介绍一下“主线程”的结构和问题的 C 部分，以及 C++ 程序将如何与之交互？您提到主线程将是 C，您无法更改它，但这提出了一个问题 - C++ 线程首先是如何启动的？另外（这确实应该是第一个问题）- C 代码本身记录了线程安全性是什么？诚然，答案可能是“没什么”，但至少值得一试。

主线程是 C（实际上是从 Matlab Simulink 生成的代码），具有我在 C++ 中实现的定义接口，因为我必须连接另一个 C++ 库（也是第 3 方）。在这个 C++ 实现中，我启动了 C++ 线程。关于您的第二个问题：正如您所怀疑的那样，线程安全与此无关。

【参考方案1】：

你不能。读写任何东西都不是原子操作，如果你不能改变 C 代码，那你就倒霉了。同步总是需要两个部分进行同步。

最好的办法是要求第三方确保他们的部分线程安全和/或与您共享锁定机制。

【讨论】：

您通常可以在自己的调用代码中进行所有锁定 - 保护对未知代码的每次调用，因此 C 库中一次只有一个线程。由于这有效地呈现了对 C 库的单线程访问，因此几乎可以保证它可以工作。自从有了糟糕的原生库以来，这种技术就被用于与糟糕的原生库进行交互。

我想这就是我要做的。要求第 3 方创建一个类似WriteNewValue(int newVal) 的接口，他们每次更新值时都会调用该接口，以便我可以将变量复制到我可以锁定/解锁访问的 C++ 世界中。

【参考方案2】：

你不能。在这种情况下工作的唯一正确方法是仅使用调用 C 线程提供给您的函数的参数 - 之后不要存储对它们的任何引用。无法保证任何变量都不会被修改 - 一般情况下。

您需要重新考虑您的架构，以免出现这种需求。

【参考方案3】：

如果您无法确保设置变量值的代码是同步的，那么在读取时加锁是没有意义的并且不会起作用。这不仅是操作的原子性，也是数据的可见性 - 对这些变量的更新可能对其他线程不可见。

如果您控制主线程，则必须为每个必须访问的变量创建一个新变量，从主线程访问它，并使用锁，设置新创建变量的值。然后，从其他线程，只访问那些同步变量。

int myVal = 0;

int main() 
  while(!shouldQuit()) 
    doSomeIndependentStuff();
    pthread_lock(&mutex);
    myVal = independentGlobalVal;
    pthread_unlock(&mutex);
  


int getMyVal() 
  int retVal = 0;
  pthread_lock(&mutex);
  retVal  = myVal;
  pthread_unlock(&mutex);
  return retval;

【参考方案4】：

不幸的是，像“写一个 float/int [is] an atomic operation”之类的语句在 C 或 C++ 中没有得到很好的定义（尽管在 C++11 和 stdatomic.h 方法中使用了std::atomic来自 C11 的内容在这里可以提供帮助 - 但这对您无法修改的库的 C 互操作没有帮助，因此您可以在这里忽略它。

您可以在特定编译器和平台上找到有关这些问题的指南 - 例如，您可能会发现，在大多数平台上，对齐的 32 位或 64 位读取或写入将是原子的（如果对齐），并且大多数编译器会适当地对齐它们。

然而，这条路上充满了疯狂。如果您涉及多个线程，只需使用 POSIX/pthreads 功能，例如 pthreads mutexes - 可以从 C 和 C++ 轻松访问，以保护对跨线程共享状态的任何访问。

由于您无法修改 C 代码，您可能必须在 C++ 代码中进行所有锁定，然后再调用 C 库，然后解锁。如果您可以阅读但不能修改 C 代码，或者文档对线程/共享模型非常清楚，您也许可以使用细粒度锁定策略，但在没有任何分析表明存在瓶颈的情况下，我d 从一个全局锁开始，用于保护对 C API 的每次访问。

【讨论】：

如果写入不同步，则只锁定读取是没有意义的。

c11 也具有原子性。标准原子.h

我从不建议只锁定读取。我建议锁定对 C 库的任何调用，这将包含所有读取和写入（通过本机库）。如果有任何实际的共享状态（例如，共享库公开的全局变量），您需要在访问它时在 C++ 端进行锁定。

@Dariusz - 在更仔细地阅读了 OP 的问题描述之后，您似乎有道理 - 他暗示“主线程”归 C 代码所有，并将完全保留在 C 代码中，这会使事情复杂化。这在设计上似乎不太可能 - C++ 线程是如何被启动的，并且是嵌入 C 库的通常模型的反转，但我会要求 OP 进行澄清。

@BeeOnRope 我们有。由于原始 C 代码不是多线程的，它将调用新模块并期望答案作为调用的返回值。然后，您需要在调用堆栈的下方与原始 C API 进行交互。当您在通话中时，您可以简单地使用所描述的经典锁定。但是一旦你出去了，你基本上必须等待下一次调用你的模块。但是从本质上讲，如果您正确设计模块并且不破坏原始程序设计假设，您可能不需要这样做。