探究在C++程序并发时保护共享数据的问题

我们先通过一个简单的代码来了解该问题。
同步问题

我们使用一个简单的结构体 Counter，该结构体包含一个值以及一个方法用来改变这个值：

struct Counter {
  int value;

  void increment(){
    ++value;
  }
};

然后启动多个线程来修改结构体的值：

int main(){
  Counter counter;

  std::vector<std::thread> threads;
  for(int i = 0; i < 5; ++i){
    threads.push_back(std::thread([&counter](){
      for(int i = 0; i < 100; ++i){
        counter.increment();
      }
    }));
  }

  for(auto& thread : threads){
    thread.join();
  }

  std::cout << counter.value << std::endl;

  return 0;
}

我们启动了5个线程来增加计数器的值，每个线程增加了100次，然后在线程结束时打印计数器的值。

但我们运行这个程序的时候，我们是希望它会答应500，但事实不是如此，没人能确切知道程序将打印什么结果，下面是在我机器上运行后打印的数据，而且每次都不同：

442
500
477
400
422
487

问题的原因在于改变计数器值并不是一个原子操作，需要经过下面三个操作才能完成一次计数器的增加：

• 首先读取 value 的值
• 然后将 value 值加1
• 将新的值赋值给 value

但你使用单线程来运行这个程序的时候当然没有任何问题，因此程序是顺序执行的，但在多线程环境中就有麻烦了，想象下下面这个执行顺序：

• Thread 1 : 读取 value, 得到 0, 加 1, 因此 value = 1
• Thread 2 : 读取 value, 得到 0, 加 1, 因此 value = 1
• Thread 1 : 将 1 赋值给 value，然后返回 1
• Thread 2 : 将 1 赋值给 value，然后返回 1

这种情况我们称之为多线程的交错执行，也就是说多线程可能在同一个时间点执行相同的语句，尽管只有两个线程，交错的现象也很明显。如果你有更多的线程、更多的操作需要执行，那么这个交错是必然发生的。

有很多方法来解决线程交错的问题：

• 信号量 Semaphores
• 原子引用 Atomic references
• Monitors
• Condition codes
• Compare and swap

在这篇文章中我们将学习如何使用信号量来解决这个问题。信号量也有很多人称之为互斥量(Mutex)，同一个时间只允许一个线程获取一个互斥对象的锁，通过 Mutex 的简单属性就可以用来解决交错的问题。

使用 Mutex 让计数器程序是线程安全的

在 C++11 线程库中，互斥量包含在 mutex 头文件中，对应的类是 std::mutex，有两个重要的方法 mutex:lock() 和 unlock() ，从名字上可得知是用来锁对象以及释放锁对象。一旦某个互斥量被锁，那么再次调用 lock() 返回堵塞值得该对象被释放。

为了让我们刚才的计数器结构体是线程安全的，我们添加一个 set:mutext 成员，并在每个方法中通过 lock()/unlock() 方法来进行保护：

struct Counter {
  std::mutex mutex;
  int value;

  Counter() : value(0) {}

  void increment(){
    mutex.lock();
    ++value;
    mutex.unlock();
  }
};

然后我们再次测试这个程序，打印的结果就是 500 了，而且每次都一样。

异常和锁

现在让我们来看另外一种情况，想象我们的的计数器有一个减操作，并在值为0的时候抛出异常：

struct Counter {
  int value;

  Counter() : value(0) {}

  void increment(){
    ++value;
  }

  void decrement(){
    if(value == 0){
      throw "Value cannot be less than 0";
    }

    --value;
  }
};

然后我们不需要修改类来访问这个结构体，我们创建一个封装器：

struct ConcurrentCounter {
  std::mutex mutex;
  Counter counter;

  void increment(){
    mutex.lock();
    counter.increment();
    mutex.unlock();
  }

  void decrement(){
    mutex.lock();
    counter.decrement();
    mutex.unlock();
  }
};

大部分时候该封装器运行挺好，但是使用 decrement 方法的时候就会有异常发生。这是一个大问题，一旦异常发生后，unlock 方法就没被调用，导致互斥量一直被占用，然后整个程序就一直处于堵塞状态（死锁），为了解决这个问题我们需要用 try/catch 结构来处理异常情况：

void decrement(){
  mutex.lock();
  try {
    counter.decrement();
  } catch (std::string e){
    mutex.unlock();
    throw e;
  }
  mutex.unlock();
}

这个代码并不难，但看起来很丑，如果你一个函数有 10 个退出点，你就必须为每个退出点调用一次 unlock 方法，或许你可能在某个地方忘掉了 unlock ，那么各种悲剧即将发生，悲剧发生将直接导致程序死锁。

接下来我们看如何解决这个问题。

自动锁管理

当你需要包含整段的代码（在我们这里是一个方法，也可能是一个循环体或者其他的控制结构），有这么一种好的解决方法可以避免忘记释放锁，那就是 std::lock_guard.

这个类是一个简单的智能锁管理器，但创建 std::lock_guard 时，会自动调用互斥量对象的 lock() 方法，当 lock_guard 析构时会自动释放锁，请看下面代码：

struct ConcurrentSafeCounter {
  std::mutex mutex;
  Counter counter;

  void increment(){
    std::lock_guard<std::mutex> guard(mutex);
    counter.increment();
  }

  void decrement(){
    std::lock_guard<std::mutex> guar(mutex);
    mutex.unlock();
  }
};

是不是看起来爽多了？

使用 lock_guard ，你不再需要考虑什么时候要释放锁，这个工作已经由 std::lock_guard 实例帮你完成。

结论

在这篇文章中我们学习了如何通过信号量/互斥量来保护共享数据。需要记住的是，使用锁会降低程序性能。在一些高并发的应用环境中有其他更好的解决办法，不过这不在本文的讨论范畴之内。

你可以在 Github 上获取本文的源码.