一段伪代码引发的多线程的思考

本文通过一段伪代码解析了多线程环境下消息发送顺序的不确定性问题,并提供了一种解决方案,即通过消息队列来确保消息按预期顺序执行。

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多线程使我们的程序的执行效率得到了很大的提高,但稍有不慎,它也给我们程序带来致命一击,下面就通过一段伪代码来解析平时容易犯错误的一个问题,代码如下:
/**
*  执行一个task,停止正在播放的任务,然后重新开始播放
*/
public void exeTask(){
    MsgSendUtil.sendData("stop"); (1)
    MsgSendUtil.sendData("play"); (2)
}


/**
* 通过线程池发送数据
*/
public void sendData(final String data){
    ThreadPool.getInstace.excute(new Runnable{
        @override
        public void run(){
            write(data.getBytes());(3)
        }
    });
}

这是一段很简单的代码,就是通过线程池发送了两个消息,首先发送 “stop”消息,然后再发送一个 “play” 消息。 但是执行的结果却 出乎意料,因为这两消息的执行顺序非常随机,有时先执行“stop” 消息,然后再执行 “play” 消息,有时刚好相反,问题究竟出在哪里呢?

  1. 首先我们要明白,exeTask() 方法中的的两行代码(1),(2)是在同一个 线程中执行的,假设都是 主线程(main Thread)。

  2. sendData() 中的代码是在 线程池中 执行 的,即(3)这行代码是在子线程中执行的。

3.多线程其实是一个伪概念,程序真正执行时还是单线程执行的,所谓的多线程只不过是 cpu 在 多个 线程间切换执行,每个线程执行一定的 时间片后然后切换。理解了这一点后,那么上面的代码就会出现下面几种可能:

1> 代码(1)先调用,但是主线程的时间片还未结束,于是代码(2)调用,主线程执行完毕,然后才开始两个子线程抢占,随机执行
2> 代码(1)先调用,但是主线程的时间片到了,于是切换到(1)代码中的子线程执行去发送数据,执行完毕后,又切换到主线程执行,开始执行代码(2),然后执行代码(2)的发送数据

第二种可能才是我们想要的结果,但是第一种可能却是多线程无法避免的问题,那该怎么解决这样的问题呢? 对 sendData() 稍作修改:
/*
* 通过handler 消息队列发送消息,(当然采用HandlerThread)
*/
public void sendData(final String data){
    handle.post(new Runnable{
        @override
        public void run(){
            write(data.getBytes());
        }
    })
}

通过消息队列,消息依次入列,即可以在子线程依次将消息发送出去。。。

<think>好的,用户需要我帮忙一篇优快云博客,主题是关于机器人系统问题排查,具体涉及两个问题:启动时崩溃被看门狗重启后正常(关闭串口通信时)以及不关闭串口时持续崩溃,排查结果是因为sensor数据类中的成员函数调用了单例函数获取数据导致崩溃,还需要补充崩溃的底层原因。 首先,我需要明确用户的需求。用户是希望这篇博客能详细记录问题现象、分析过程、解决方案以及底层原因。用户可能是一位机器人系统开发者或维护人员,遇到了系统崩溃的问题,希望通过博客分享排查经验,帮助他人避免类似问题。 接下来,我需要整理用户提供的信息。问题有两个现象:关闭核心板与MCU的串口通信时,机器人启动崩溃但能被看门狗重启;不关闭串口则持续崩溃。排查发现是sensor数据类调用了单例函数导致崩溃。需要补充底层原因,比如多线程竞争、初始化顺序问题、资源竞争等。 我需要确定博客的结构。通常技术博客的结构包括问题现象、排查过程、原因分析、解决方案、总结等部分。用户已经给出了问题现象和排查结果,需要详细展开,特别是底层原因部分,可能需要深入讨论单例模式在多线程环境下的问题,比如线程安全、初始化顺序、死锁等。 用户提到的单例函数导致崩溃,底层原因可能与多线程环境下单例的初始化有关。比如,单例的懒汉式实现如果没有适当的同步机制,可能导致多个线程同时初始化实例,引发竞态条件。此外,如果单例依赖其他资源,而这些资源在初始化时尚未准备好,也会导致崩溃。尤其是在关闭串口的情况下,可能某些资源未被使用,避免了冲突,而开启串口时资源被访问,导致问题暴露。 另外,串口通信可能涉及到中断或异步操作,如果在单例初始化过程中,串口中断发生并试图访问尚未完全初始化的单例实例,会导致数据不一致或内存访问错误,进而崩溃。需要解释这些机制之间的相互作用。 需要确保技术术语准确,比如单例模式的不同实现方式(饿汉式、懒汉式)、线程安全、竞态条件、看门狗机制等。同时,给出代码示例来说明问题,比如展示问题代码和修复后的代码,对比说明如何避免问题。 可能还需要考虑用户的实际应用场景,机器人系统通常对实时性和可靠性要求较高,因此在资源管理和多线程同步方面需要特别注意。单例的不当使用可能导致不可预测的行为,特别是在系统启动阶段,各个模块初始化顺序可能影响稳定性。 用户可能需要更深入的底层原因,比如内存访问冲突、未初始化的指针、双重释放等问题。需要结合具体示例,比如在单例的getInstance()方法中,如果未加锁,多个线程同时调用可能导致构造多次,或者返回未完全初始化的实例,进而访问无效内存。 此外,关闭串口通信可能改变了系统初始化的流程或资源加载顺序,使得单例在访问某些资源时不会触发问题,而开启串口时资源被访问,导致崩溃。需要分析串口通信与单例初始化之间的依赖关系。 最后,总结部分需要强调在机器人系统开发中应注意单例模式的使用场景,确保线程安全和资源初始化的正确顺序,推荐使用饿汉式单例或适当的同步机制,并进行充分的测试,特别是在多线程环境下。</think>--- ### 优快云博客:机器人系统崩溃问题深度解析——单例陷阱与串口通信的致命交互 --- #### **问题现象描述** 某机器人系统在启动时出现以下两类异常: 1. **场景一**: - 启动时直接崩溃,触发看门狗重启后恢复正常 - **附加条件**:关闭核心板与MCU间的串口通信 2. **场景二**: - 持续崩溃无法恢复 - **附加条件**:保持串口通信开启 --- #### **排查过程实录** 通过日志分析和代码审查,最终定位到关键问题: ```cpp // 伪代码示例:问题代码片段 class SensorData { public: void UpdateData() { // 错误调用:直接通过单例获取数据 auto& data = DataManager::GetInstance().GetSensorData(); // 数据处理逻辑... } }; ``` ##### **排查步骤** 1. **崩溃堆栈分析**: - 崩溃点指向`DataManager::GetInstance()`的单例访问 - 多线程环境下多次出现`GetInstance()`调用路径 2. **条件对比测试**: | 测试场景 | 串口状态 | 崩溃频率 | |----------------|---------|-------------| | 初始启动 | 关闭 | 仅首次崩溃 | | 持续运行 | 开启 | 循环崩溃 | 3. **资源监控**: - 串口开启时,`DataManager`的初始化耗时增加200% - 多线程竞争导致`GetInstance()`被重复调用 --- #### **底层崩溃原因剖析** ##### **1. 单例初始化竞态(Race Condition)** - **典型问题代码**: ```cpp class DataManager { public: static DataManager& GetInstance() { static DataManager instance; // C++11后线程安全,但初始化时序仍不可控 return instance; } private: DataManager() { // 构造函数内访问串口资源 SerialPort::Init(); // 若串口已开启,此处产生资源竞争 } }; ``` - **致命组合**: - 多线程同时调用`GetInstance()` - 构造函数依赖未完全初始化的串口资源 ##### **2. 串口资源双重绑定** - **资源冲突示意图**: ``` 线程A:SensorData::UpdateData() → GetInstance() → 串口初始化 线程B:通信模块 → 串口数据读取 → 访问半初始化状态单例 ``` - **结果**: - 未初始化的内存被访问(野指针) - 串口缓冲区被错误改 ##### **3. 看门狗机制的掩盖效应** - **场景一特殊表现解析**: - 关闭串口时,`DataManager`构造函数跳过串口初始化 - 单例初始化时序冲突被规避 - 看门狗重启后,单例已存在,直接复用 --- #### **解决方案与代码修正** ##### **1. 单例模式重构(饿汉式改造)** ```cpp class DataManager { public: static DataManager& GetInstance() { // C++11保证静态变量初始化线程安全 static DataManager instance; return instance; } void LazyInitSerial() { // 延迟初始化串口 std::call_once(init_flag_, [](){ SerialPort::Init(); }); } private: DataManager() = default; // 不再直接初始化硬件 std::once_flag init_flag_; }; ``` ##### **2. 调用方改造(增加初始化检查)** ```cpp void SensorData::UpdateData() { DataManager::GetInstance().LazyInitSerial(); // 显式初始化 auto& data = DataManager::GetInstance().GetSensorData(); // ... } ``` ##### **3. 串口通信安全策略** - 增加互斥锁保护资源访问: ```cpp class SerialPort { public: static void SendData(const Packet& pkt) { std::lock_guard<std::mutex> lock(serial_mutex_); // 实际发送操作 } private: static std::mutex serial_mutex_; }; ``` --- #### **总结与避坑指南** ##### **核心教训** 1. **单例不是银弹**: - 避免在构造函数中进行硬件操作 - 对多线程访问保持高度警惕 2. **硬件交互黄金法则**: - 采用"显式初始化+状态检查"模式 - 资源访问必须加锁 3. **看门狗的局限性**: - 不能解决初始化时序问题 - 重启可能掩盖深层缺陷 ##### **扩展思考题** - 如何通过`Valgrind`或`AddressSanitizer`检测此类资源竞争? - 使用`std::shared_ptr`管理单例的生命周期是否更安全? --- **技术标签**:`#机器人系统` `#多线程编程` `#单例模式` `#资源竞争` `#崩溃分析` --- **下期预告**: 《机器人系统的时序安全:从内存屏障到硬件信号量》——揭秘如何通过硬件特性防止资源踩踏!
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