C++线程安全与竞态条件的解决策略-优快云博客

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背景简介

在多线程编程中，确保数据访问的线程安全是一个常见且重要的挑战。章节7探讨了在C++中如何处理线程安全问题以及竞态条件，特别是在使用互斥锁（mutexes）保护数据时可能会遇到的问题。本章内容深入浅出，为读者提供了多种解决线程安全问题的策略和方法。

避免绕过保护机制

在代码中传递受保护数据到用户定义的函数可能会绕过原有的保护措施，导致未锁定状态下的数据访问。例如，当使用 std::lock_guard 保护一个数据结构时，如果调用了一个可以接受恶意函数参数的用户定义函数，就可能在没有锁定互斥锁的情况下访问到受保护的数据。

void process_data(std::function<void()> func) {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex);
    func(); // 恶意函数可以绕过锁的保护
}

为了避免这种情况，我们不应该将受保护数据的指针或引用传递到锁定范围之外。这包括通过函数返回、存储在外部可见内存或作为参数传递给用户提供的函数。

竞态条件与接口设计

即使使用了互斥锁，如果接口设计不当，仍然可能会出现竞态条件。章节中通过一个双向链表的例子说明，为了安全地删除一个节点，我们需要保护三个节点：被删除的节点以及它两侧的节点。如果只保护每个节点的指针访问，竞态条件仍可能发生。

void delete_node(Node* node) {
    // 假设我们只保护了node指针
    node->mutex.lock();
    // 删除node的代码
    node->mutex.unlock();
}

为了确保整个删除操作的线程安全，最好是使用一个互斥锁保护整个列表。然而，即使这样，我们也可能因为接口设计的问题遇到竞态条件。例如，在一个简单的栈数据结构中，即使有互斥锁保护内部数据，调用 empty() 和 top() 函数仍然可能导致竞态条件。

if (!s.empty()) {
    int const value = s.top(); // 竞态条件发生在top()返回之后
    s.pop();
    do_something(value);
}

为了解决这个问题，我们需要改变接口设计，例如将 top() 和 pop() 函数合并为一个原子操作，或者使用引用作为参数，或者要求类型有不抛出异常的拷贝构造函数。最终，为了保证线程安全，可能需要对原有的接口进行重大修改。

解决方案与实现

文章给出了几种可能的解决方案，包括：

传递引用 ：在调用 pop() 时传递一个引用，这样可以避免返回值时可能出现的异常。
不抛出拷贝或移动构造函数 ：限制线程安全栈只用于那些可以安全返回值而不抛出异常的类型。
返回指针 ：返回一个指向弹出项的指针，而非按值返回项，这样可以自由复制而不会抛出异常。
提供多种选择 ：为了提供灵活性，可以同时提供以上几种选项。

文章最后提供了一个线程安全栈的简单实现，它通过使用 std::shared_ptr 来管理内存分配，并且确保了操作的原子性。

template<typename T>
class thread_safe_stack {
public:
    void push(T new_value) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(m);
        data.push(new_value);
    }

    std::shared_ptr<T> pop() {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(m);
        if(data.empty()) throw empty_stack();
        std::shared_ptr<T> const res(new T(data.top()));
        data.pop();
        return res;
    }

    bool empty() const {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(m);
        return data.empty();
    }

private:
    std::stack<T> data;
    mutable std::mutex m;
};