C++线程间共享数据之互斥锁

雨点打透心脏的1/2处 2022-05-20 02:20 319阅读 0赞

当线程间共享非const类型的数据时，线程管理的最大挑战之一就开始了。。  
使用共享数据的线程的上下文中，您经常会听到竞争条件和竞争区。  
但是，那是啥？

##### 数据竞争 #####

数据竞争是一种状态，其中至少两个线程同时访问共享数据，并且至少一个线程是写入者。

##### 竞争区 #####

竞争区是代码的一部分，在任何时间点都不应该有多个线程访问。  
如果程序具有竞争条件，则程序行为未定义。换句话说，任何事情都可能发生。

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查看竞争条件的一种好方法是让几个线程写入std::cout。  
std::cout是共享对象（输出流），应该保护它不受多个线程的同时访问：

// coutUnsynchronized.cpp
    #include <chrono>
    #include <iostream>
    #include <thread>
    
    class Worker 
    {
    public:
        Worker(std::string n) :
            name(n) 
        {};
    
        void operator() () 
        {
            for (int i = 1; i <= 3; ++i) 
            {
                // begin work
                std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(200));
                // end work
                std::cout << name << ": " << "Work " << i << " done !!!" << std::endl;
            }
        }
    private:
        std::string name;
    };
    
    int main() 
    {
        std::cout << std::endl;
    
        std::cout << "Boss: Let's start working.\n\n";
    
        std::thread herb = std::thread(Worker("Herb"));
        std::thread andrei = std::thread(Worker("  Andrei"));
        std::thread scott = std::thread(Worker("    Scott"));
        std::thread bjarne = std::thread(Worker("      Bjarne"));
        std::thread andrew = std::thread(Worker("        Andrew"));
        std::thread david = std::thread(Worker("          David"));
    
        herb.join();
        andrei.join();
        scott.join();
        bjarne.join();
        andrew.join();
        david.join();
    
        std::cout << "\n" << "Boss: Let's go home." << std::endl;
    
        std::cout << std::endl;
    }

每个线程打印三句话，执行完毕后join，但是打印出来。。。。一团糟：  
![这里写图片描述][70]

再试一次还是一团糟。。。。完全不受控制：  
![这里写图片描述][70 1]

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##### 互斥锁 #####

有一种解决方案是互斥锁。  
互斥锁确保每个线程专门访问共享变量std::cout。  
Mutex代表mutual exclusion。它确保只有一个线程可以访问关键部分

注意：
    std::cout是线程安全的
    C ++ 11标准保证，您不能保护写入std::cout的单个字符。
    每个字符都将以原子方式书写。
    当然，有可能的是，例如示例中的更多输出语句将交错，但这只是一个视觉的问题。
    这方面对所有输入和输出流都有效。

// coutSynchronized.cpp
    
    #include <chrono>
    #include <iostream>
    #include <mutex>
    #include <thread>
    
    std::mutex coutMutex;
    
    class Worker 
    {
    public:
        Worker(std::string n) :name(n) {};
    
        void operator() () 
        {
            for (int i = 1; i <= 3; ++i) {
                // begin work
                std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(200));
                // end work
                coutMutex.lock();
                std::cout << name << ": " << "Work " << i << " done !!!" << std::endl;
                coutMutex.unlock();
            }
        }
    private:
        std::string name;
    };
    
    
    int main() 
    {
        std::cout << std::endl;
    
        std::cout << "Boss: Let's start working." << "\n\n";
    
        std::thread herb = std::thread(Worker("Herb"));
        std::thread andrei = std::thread(Worker("  Andrei"));
        std::thread scott = std::thread(Worker("    Scott"));
        std::thread bjarne = std::thread(Worker("      Bjarne"));
        std::thread andrew = std::thread(Worker("        Andrew"));
        std::thread david = std::thread(Worker("          David"));
    
        herb.join();
        andrei.join();
        scott.join();
        bjarne.join();
        andrew.join();
        david.join();
    
        std::cout << "\n" << "Boss: Let's go home." << std::endl;
    
        std::cout << std::endl;
    }

与第一个代码例子的主要区别在于通过调用方法coutMutex.lock()和coutMutex.unlock()，可以定义独占部分，这部分最多只能由一个线程访问。  
这样对std::cout的访问是同步的，混乱从此变得和谐。。。。。：  
![这里写图片描述][70 2]

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原文地址：

http://www.modernescpp.com/index.php/threads-sharing-data

[70]: /images/20220520/93724a5ac6774bc69f8f0316b8477fe0.png
[70 1]: /images/20220520/384968bb185a4a4b9b12db6950d04fe2.png
[70 2]: /images/20220520/bef24c7447b74086947b77bb33fc9613.png