在編寫(xiě)多線程程序時(shí)，多個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)某個(gè)共享資源，會(huì)導(dǎo)致同步的問(wèn)題，這篇文章中我們將介紹 C++11 多線程編程中的數(shù)據(jù)保護(hù)。
數(shù)據(jù)丟失

讓我們從一個(gè)簡(jiǎn)單的例子開(kāi)始，請(qǐng)看如下代碼：
 

#include <iostream>
#include <string>
#include <thread>
#include <vector>
 
using std::thread;
using std::vector;
using std::cout;
using std::endl;
 
class Incrementer
{
  private:
    int counter;
 
  public:
    Incrementer() : counter{0} { };
 
    void operator()()
    {
      for(int i = 0; i < 100000; i++)
      {
        this->counter++;
      }
    }
 
    int getCounter() const
    {
      return this->counter;
    }   
};
 
int main()
{
  // Create the threads which will each do some counting
  vector<thread> threads;
 
  Incrementer counter;
 
  threads.push_back(thread(std::ref(counter)));
  threads.push_back(thread(std::ref(counter)));
  threads.push_back(thread(std::ref(counter)));
 
  for(auto &t : threads)
  {
    t.join();
  }
 
  cout << counter.getCounter() << endl;
 
  return 0;
}

這個(gè)程序的目的就是數(shù)數(shù)，數(shù)到30萬(wàn)，某些傻叉程序員想要優(yōu)化數(shù)數(shù)的過(guò)程，因此創(chuàng)建了三個(gè)線程，使用一個(gè)共享變量 counter，每個(gè)線程負(fù)責(zé)給這個(gè)變量增加10萬(wàn)計(jì)數(shù)。

這段代碼創(chuàng)建了一個(gè)名為 Incrementer 的類(lèi)，該類(lèi)包含一個(gè)私有變量 counter，其構(gòu)造器非常簡(jiǎn)單，只是將 counter 設(shè)置為 0.

緊接著是一個(gè)操作符重載，這意味著這個(gè)類(lèi)的每個(gè)實(shí)例都是被當(dāng)作一個(gè)簡(jiǎn)單函數(shù)來(lái)調(diào)用的。一般我們調(diào)用類(lèi)的某個(gè)方法時(shí)會(huì)這樣 object.fooMethod()，但現(xiàn)在你實(shí)際上是直接調(diào)用了對(duì)象，如object(). 因?yàn)槲覀兪窃诓僮鞣剌d函數(shù)中將整個(gè)對(duì)象傳遞給了線程類(lèi)。最后是一個(gè) getCounter 方法，返回 counter 變量的值。

再下來(lái)是程序的入口函數(shù) main()，我們創(chuàng)建了三個(gè)線程，不過(guò)只創(chuàng)建了一個(gè) Incrementer 類(lèi)的實(shí)例，然后將這個(gè)實(shí)例傳遞給三個(gè)線程，注意這里使用了 std::ref ，這相當(dāng)于是傳遞了實(shí)例的引用對(duì)象，而不是對(duì)象的拷貝。

現(xiàn)在讓我們來(lái)看看程序執(zhí)行的結(jié)果，如果這位傻叉程序員還夠聰明的話(huà)，他會(huì)使用 GCC 4.7 或者更新版本，或者是 Clang 3.1 來(lái)進(jìn)行編譯，編譯方法：
 

g++ -std=c++11 -lpthread -o threading_example main.cpp

運(yùn)行結(jié)果：

[lucas@lucas-desktop src]$ ./threading_example
218141
[lucas@lucas-desktop src]$ ./threading_example
208079
[lucas@lucas-desktop src]$ ./threading_example
100000
[lucas@lucas-desktop src]$ ./threading_example
202426
[lucas@lucas-desktop src]$ ./threading_example
172209

但等等，不對(duì)啊，程序并沒(méi)有數(shù)數(shù)到30萬(wàn)，有一次居然只數(shù)到10萬(wàn)，為什么會(huì)這樣呢？好吧，加1操作對(duì)應(yīng)實(shí)際的處理器指令其實(shí)包括：
 

movl  counter(%rip), %eax
addl  $1, %eax
movl  %eax, counter(%rip)

首個(gè)指令將裝載 counter 的值到 %eax 寄存器，緊接著寄存器的值增1，然后將寄存器的值移給內(nèi)存中 counter 所在的地址。

我聽(tīng)到你在嘀咕：這不錯(cuò)，可為什么會(huì)導(dǎo)致數(shù)數(shù)錯(cuò)誤的問(wèn)題呢？嗯，還記得我們以前說(shuō)過(guò)線程會(huì)共享處理器，因?yàn)橹挥袉魏?。因此在某些點(diǎn)上，一個(gè)線程會(huì)依照指令執(zhí)行完成，但在很多情況下，操作系統(tǒng)會(huì)對(duì)線程說(shuō)：時(shí)間結(jié)束了，到后面排隊(duì)再來(lái)，然后另外一個(gè)線程開(kāi)始執(zhí)行，當(dāng)下一個(gè)線程開(kāi)始執(zhí)行時(shí)，它會(huì)從被暫停的那個(gè)位置開(kāi)始執(zhí)行。所以你猜會(huì)發(fā)生什么事，當(dāng)前線程正準(zhǔn)備執(zhí)行寄存器加1操作時(shí)，系統(tǒng)把處理器交給另外一個(gè)線程？

我真的不知道會(huì)發(fā)生什么事，可能我們?cè)跍?zhǔn)備加1時(shí)，另外一個(gè)線程進(jìn)來(lái)了，重新將 counter 值加載到寄存器等多種情況的產(chǎn)生。誰(shuí)也不知道到底發(fā)生了什么。

正確的做法

解決方案就是要求同一個(gè)時(shí)間內(nèi)只允許一個(gè)線程訪問(wèn)共享變量。這個(gè)可通過(guò) std::mutex 類(lèi)來(lái)解決。當(dāng)線程進(jìn)入時(shí)，加鎖、執(zhí)行操作，然后釋放鎖。其他線程想要訪問(wèn)這個(gè)共享資源必須等待鎖釋放。

互斥(mutex) 是操作系統(tǒng)確保鎖和解鎖操作是不可分割的。這意味著線程在對(duì)互斥量進(jìn)行鎖和解鎖的操作是不會(huì)被中斷的。當(dāng)線程對(duì)互斥量進(jìn)行鎖或者解鎖時(shí)，該操作會(huì)在操作系統(tǒng)切換線程前完成。

而最好的事情是，當(dāng)你試圖對(duì)互斥量進(jìn)行加鎖操作時(shí)，其他的線程已經(jīng)鎖住了該互斥量，那你就必須等待直到其釋放。操作系統(tǒng)會(huì)跟蹤哪個(gè)線程正在等待哪個(gè)互斥量，被堵塞的線程會(huì)進(jìn)入 "blocked onm" 狀態(tài)，意味著操作系統(tǒng)不會(huì)給這個(gè)堵塞的線程任何處理器時(shí)間，直到互斥量解鎖，因此也不會(huì)浪費(fèi) CPU 的循環(huán)。如果有多個(gè)線程處于等待狀態(tài)，哪個(gè)線程最先獲得資源取決于操作系統(tǒng)本身，一般像 Windows 和 Linux 系統(tǒng)使用的是 FIFO 策略，在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中則是基于優(yōu)先級(jí)的。

現(xiàn)在讓我們對(duì)上面的代碼進(jìn)行改進(jìn)：
 

#include <iostream>
#include <string>
#include <thread>
#include <vector>
#include <mutex>
 
using std::thread;
using std::vector;
using std::cout;
using std::endl;
using std::mutex;
 
class Incrementer
{
  private:
    int counter;
    mutex m;
 
  public:
    Incrementer() : counter{0} { };
 
    void operator()()
    {
      for(int i = 0; i < 100000; i++)
      {
        this->m.lock();
        this->counter++;
        this->m.unlock();
      }
    }
 
    int getCounter() const
    {
      return this->counter;
    } 
};
 
int main()
{
  // Create the threads which will each do some counting
  vector<thread> threads;
 
  Incrementer counter;
 
  threads.push_back(thread(std::ref(counter)));
  threads.push_back(thread(std::ref(counter)));
  threads.push_back(thread(std::ref(counter)));
 
  for(auto &t : threads)
  {
    t.join();
  }
 
  cout << counter.getCounter() << endl;
 
  return 0;
}

注意代碼上的變化：我們引入了 mutex 頭文件，增加了一個(gè) m 的成員，類(lèi)型是 mutex，在operator()() 中我們鎖住互斥量 m 然后對(duì) counter 進(jìn)行加1操作，然后釋放互斥量。

再次執(zhí)行上述程序，結(jié)果如下：
 

[lucas@lucas-desktop src]$ ./threading_example
300000
[lucas@lucas-desktop src]$ ./threading_example
300000

這下數(shù)對(duì)了。不過(guò)在計(jì)算機(jī)科學(xué)中，沒(méi)有免費(fèi)的午餐，使用互斥量會(huì)降低程序的性能，但這總比一個(gè)錯(cuò)誤的程序要強(qiáng)吧。

防范異常

當(dāng)對(duì)變量進(jìn)行加1操作時(shí)，是可能會(huì)發(fā)生異常的，當(dāng)然在我們這個(gè)例子中發(fā)生異常的機(jī)會(huì)微乎其微，但是在一些復(fù)雜系統(tǒng)中是極有可能的。上面的代碼并不是異常安全的，當(dāng)異常發(fā)生時(shí)，程序已經(jīng)結(jié)束了，可是互斥量還是處于鎖的狀態(tài)。

為了確?；コ饬吭诋惓０l(fā)生的情況下也能被解鎖，我們需要使用如下代碼：
 

for(int i = 0; i < 100000; i++)
{
 this->m.lock();
 try
  {
   this->counter++;
   this->m.unlock();
  }
  catch(...)
  {
   this->m.unlock();
   throw;
  }
}

但是，這代碼太多了，而只是為了對(duì)互斥量進(jìn)行加鎖和解鎖。沒(méi)關(guān)系，我知道你很懶，因此推薦個(gè)更簡(jiǎn)單的單行代碼解決方法，就是使用 std::lock_guard 類(lèi)。這個(gè)類(lèi)在創(chuàng)建時(shí)就鎖定了 mutex 對(duì)象，然后在結(jié)束時(shí)釋放。

繼續(xù)修改代碼：
 

void operator()()
{
  for(int i = 0; i < 100000; i++)
  {
  lock_guard<mutex> lock(this->m);
 
  // The lock has been created now, and immediatly locks the mutex
  this->counter++;
 
  // This is the end of the for-loop scope, and the lock will be
  // destroyed, and in the destructor of the lock, it will
  // unlock the mutex
  }
}

上面代碼已然是異常安全了，因?yàn)楫?dāng)異常發(fā)生時(shí)，將會(huì)調(diào)用 lock 對(duì)象的析構(gòu)函數(shù)，然后自動(dòng)進(jìn)行互斥量的解鎖。

記住，請(qǐng)使用放下代碼模板來(lái)編寫(xiě)：

void long_function()
{
  // some long code
 
  // Just a pair of curly braces
  {
  // Temp scope, create lock
  lock_guard<mutex> lock(this->m);
 
  // do some stuff
 
  // Close the scope, so the guard will unlock the mutex
  }
}