boost条件变量(condition_variable…

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本文讨论了在使用Boost库中的condition_variable时遇到的一个问题，即当使用recursive_mutex与condition_variable_any配合时，可能导致程序阻塞。作者分析了问题的原因，并提出了一个自定义的condition_variable_recursive_mutex类作为解决方案，该类能够处理递归锁的情况。同时，文章也提到了在Linux环境下由于pthread接口的限制，需要额外的方法来跟踪递归锁的次数。

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    好吧，本文也标题党了一回。因为在boost开发者眼里，这肯定不是bug，甚至算不上flaw，而是character,详见#2219 This works as designed 云云。如果搞懂原理后正确使用也一切OK，不过我觉得作为一个高质量的库，不应该对开发者提出这么高的要求，另外这个问题让我半夜调试鸡飞狗跳，难免带些情绪，所以姑且称其为bug吧。
    先说几句题外话：条件变量是并发开发的一大利器。君不见java提供的基本同步机制只有synchronize（相当于同线程可重入的临界区recursive mutex)和wait/notify(这就是条件变量了)，虽然还有其他几个同步原语，但是都是deprecate的。使用条件变量开发并发应用的最大优势是更容易做对，也更容易阅读理解。并发应用是很难调试的，有的bug可以潜伏很久直到哪天把程序崩掉，所以这两点是很关键的。boost的thread库提供有recursive_mutex、condition_variable和condition_variable_any。condition_variable_any可以作用于任意的mutex，那是不是利用boost::recursive_mutex和boost::condition_variable_any，就可以programming c++ like java ? 在今天之前我是这么认为的，但事实证明没这么简单。
    先来看一个例子：
#include "xttime.h"
#include <iostream>
#include <boost/thread.hpp>

using namespace std;

class TestVC
{
public:

    TestVC()
    {
        running_flag = true;
    }

    void stop()
    {
        running_flag = false;
        {
            boost::recursive_mutex::scoped_lock lock(mtx);
            cond.notify_all();
        }
    }

    void waitSignalThread()
    {
        boost::recursive_mutex::scoped_lock lock(mtx);
        while(running_flag)
        {
            cout << "start wait signal" << endl;
            cond.wait(mtx);
            cout << "finish wait signal" << endl;
        }
    }

    void emitSignalThread()
    {
        while (running_flag)
        {
            {
                boost::recursive_mutex::scoped_lock lock(mtx);
                cout << "start emit singal" << endl;
                cond.notify_all();
                cout << "finish emit signal" << endl;
            }
            global::sleepms(10);
        }
    }

private:

    bool running_flag;
    boost::recursive_mutex mtx;
    boost::condition_variable_any cond;

};

int main()
{
    boost::thread_group grp;
    TestVC test;

    grp.create_thread(boost::bind(&TestVC::waitSignalThread, &test));
    grp.create_thread(boost::bind(&TestVC::emitSignalThread, &test));

    global::sleepms(100);
    test.stop();
    grp.join_all();

    return 0;
}

    例子很简单，运行后跟预期的一样，循环打印：start wait signal、start emit singal、finish emit signal、finish wait signal。接下来做一个小改动：将waitSignalThread分解成两个函数如下：
    void waitOneSignal()
    {
        boost::recursive_mutex::scoped_lock lock(mtx);
        cout << "start wait signal" << endl;
        cond.wait(mtx);
        cout << "finish wait signal" << endl;
    }

    void waitSignalThread()
    {
        boost::recursive_mutex::scoped_lock lock(mtx);
        while(running_flag)
        {
            waitOneSignal();
        }
    }

    结果呢？非常不幸跟预期的不同，打印start wait signal后程序堵住了。这是因为boost::condition_variable_any只知道它的参数是一个可以加解锁的对象，所以调用wait的时候只是进行了一次解锁操作，但是当waitOneSignal调用cond.wait(mtx)的时候，mtx被加锁了两次了，只解锁一次，emitSignal线程当然无法获取mtx的锁。
    解决方法关键在于条件变量要知道自己获得的lockable对象是recursive_mutex，在wait之前调用若干次unlock，wait后相应调用若干次lock（否则部分临界区将失去保护），代码如下（仅适用于win32平台，因为linux下的recursive_mutex是通过pthread的PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE模式来实现的，没有保存当前加锁次数）：
class condition_variable_recursive_mutex
{
public:

    condition_variable_recursive_mutex(){}
    ~condition_variable_recursive_mutex(){}

    void wait(boost::recursive_mutex& mtx)
    {
        int extra_lock = mtx.recursion_count - 1;
        for (int i = 0; i < extra_lock; i++)
        {
            mtx.unlock();
        }
        XASSERT(mtx.recursion_count == 1);
        cond.wait(mtx);
        for (int i = 0; i < extra_lock; i++)
        {
            mtx.lock();
        }
    }

    void notify_one()
    {
        cond.notify_one();
    }

    void notify_all()
    {
        cond.notify_all();
    }

private:

    boost::condition_variable_any cond;
};
    当使用recursive_mutex时使用上文condition_variable_recursive_mutex替代boost自带的条件变量就可以避免发生解锁不彻底的问题。如果要使用boost自带的条件变量也不是不行，只要确保wait的时候mutex只锁了一次即可——避免范围加锁的函数互相调用（如例子）和范围加锁的递归函数就可以基本满足这点了——这是挺麻烦的。
    最后一个问题：linux怎么办？事实上，我更关心Linux上能否正常运行。我感觉这是pthread接口设计的一个瑕疵：既然可以递归锁，为何没有方法获知总计锁了几次？为recursive_mutex加上计数即可最终解决该问题。

class xrecursive_mutex
{
public:
    xrecursive_mutex(): recursion_count(0){}
    ~xrecursive_mutex(){}

    //    serious warning: you must only call this func in the thread already hold permission of this mutex!
    int get_recursion_count()
    {
        return recursion_count;
    }

    void lock()
    {
        mutex.lock();
        ++ recursion_count;
    }

    //    serious warning: you must only call this func in the thread already hold permission of this mutex!
    void unlock()
    {
        -- recursion_count;
        mutex.unlock();
    }

    //    lock of RAII style
    class scoped_lock
    {
    public:
        scoped_lock(xrecursive_mutex& mtx_)
            : mtx(mtx_)
        {
            mtx.lock();
        }

        ~scoped_lock()
        {
            mtx.unlock();
        }

    private:
        xrecursive_mutex& mtx;
    };

private:

    int recursion_count;
    boost::recursive_mutex mutex;
};

class condition_variable_recursive_mutex
{
public:
    condition_variable_recursive_mutex(){}

    ~condition_variable_recursive_mutex(){}

    void wait(xrecursive_mutex& mtx)
    {
        int extra_lock = mtx.get_recursion_count() - 1;
        for (int i = 0; i < extra_lock; i++)
        {
            mtx.unlock();
        }
        XASSERT(mtx.get_recursion_count() == 1);
        cond.wait(mtx);
        for (int i = 0; i < extra_lock; i++)
        {
            mtx.lock();
        }
    }

    void notify_one()
    {
        cond.notify_one();
    }

    void notify_all()
    {
        cond.notify_all();
    }

private:
    boost::condition_variable_any cond;
};