多线程并发的竞态问题

我们创建三个线程同时进行购票，代码如下 

#include<iostream>
#include<thread>
#include<list>
using namespace std;
//总票数
int ticketCount=100;
//售票线程
void sellTicket(int idx)
{
    while(ticketCount>0)
    {
        cout<<ticketCount<<endl;
        ticketCount--;
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));//休眠100ms
    }
}

int main()
{
    list<std::thread> tlist;//存储线程
    for(int i=1;i<=3;i++)//创建三个线程
    {
        tlist.push_back(std::thread(sellTicket,i));
    }

    for(auto& tl:tlist)
    {
        tl.join();//让主线程等待子线程执行结束
    }

    return 0;
}

我们再看这段代码的汇编过程 

ticketCount--;

汇编代码如下：

mov eax,ticketCount
sub eax,1
mov ticketCount,eax

上述汇编过程的解读为：

• 将ticketCount的值从内存放到寄存器eax
• 通过寄存器完成减法操作
• 将运算结果再从eax寄存器中放到内存中

可以看到，三个线程在执行代码时，每个线程在执行到ticketCount--时，在底层都会执行上述三行汇编代码，这种竞态必然会导致最终结果的错误。

如：

• 假如现在ticketCount的值为100
• 线程一把ticketCount的值从内存放到寄存器并完成了减法操作，则此时ticketCount的值为99，但并未将计算后的结果放到内存，也就是说此时内存中ticketCount的值仍旧为100
• 线程二开始执行代码，那么线程二从内存取出ticketCount的值放到eax寄存器时必然为100，因此线程二在进行计算后的结果也是99
• 之后线程一又开始继续执行代码，将他的计算结果99写回内存，则此时输出结果为99
• 切换到线程二继续执行代码，然而线程二的结果也是99

可以看到，本来两个线程在执行减法操作后，ticketCount的结果应该为98，但是现在的结果却都是99。

出现上述结果的原因就在于ticketCount--代码执行的汇编过程不是一次性完成的

mutex互斥锁

这就是互斥锁出现的作用——保证ticketCount--代码的汇编过程一次性执行

• std::mutex 是 C++11 引入的互斥量（Mutex）类，用于在多线程环境中实现互斥访问共享资源。

• 通过 std::mutex，可以确保在同一时间只有一个线程可以访问被保护的临界区，从而避免多个线程同时对共享数据进行修改而导致的数据竞争问题。

• std::mutex 提供了 lock() 和 unlock() 方法，分别用于锁定和解锁互斥量。需要注意的是，在编写多线程程序时，必须确保每次 lock() 操作都会有对应的 unlock() 操作，以避免死锁等问题。

修改后的代码如下：

#include<iostream>
#include<thread>
#include<list>
#include<mutex>
using namespace std;
//总票数
int ticketCount=100;
std::mutex mtx;
//售票线程
void sellTicket(int idx)
{
    while(ticketCount>0)
    {
        mtx.lock();//加锁
        cout<<ticketCount<<endl;
        ticketCount--;//解锁
        mtx.unlock();

        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));//休眠100ms
    }
}

int main()
{
    list<std::thread> tlist;//存储线程
    for(int i=1;i<=3;i++)//创建三个线程
    {
        tlist.push_back(std::thread(sellTicket,i));
    }

    for(auto& tl:tlist)
    {
        tl.join();//让主线程等待子线程执行结束
    }

    return 0;
}

但是上述代码仍旧有一些问题，考虑以下情况

• 假如ticketCount的值为1
• 由于ticketCount大于0，因此线程一进入while循环并获取锁，但并未执行--操作，因此此时ticketCount的仍旧为1
• 假如此时线程二刚好被切换，那么由于此时ticketCount的值还没有变化，仍旧为1大于0，因此线程二也进入while循环，但是线程一并未释放锁，因此线程将被卡住
• 之后线程一继续执行，执行减法操作，ticketCount的值为0，并释放锁
• 此时线程二继续执行，但是线程二已经进入while循环了，因此线程二也将执行一次减法操作，故而就会出现ticketCount=-1的情况

因此修正后的代码应该是

void sellTicket(int idx)
{
    while(ticketCount>0)
    {
        mtx.lock();
        if(ticketCount>0)
        {
            cout<<ticketCount<<endl;
            ticketCount--;
        }
        mtx.unlock();
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));//休眠100ms
    }
}

lock_guard

由于mutex需要程序员时刻记住在何时加锁在何时释放锁，否则就会导致死锁问题，但大多数时候这个工作比较繁琐，并且很容易忘记释放锁，因此出现了lock_guard,可自动管理加锁和解锁

• std::lock_guard 是 C++11 提供的 RAII（资源获取即初始化）风格的锁管理工具，用于自动管理 std::mutex 的加锁和解锁操作。
• 通过 std::lock_guard，可以在作用域内自动锁定 std::mutex，并在作用域结束时自动释放锁，从而避免忘记手动解锁或异常情况下未能正确解锁互斥量。
• std::lock_guard 的构造函数接受一个 std::mutex 对象，并在构造时锁定该互斥量，在析构时释放锁。因此，使用 std::lock_guard 可以很方便地实现线程安全的代码块。

 

void sellTicket(int idx)
{
    while(ticketCount>0)
    {
        // mtx.lock();
        {
            lock_guard<mutex> lock(mtx);
            if(ticketCount>0)
            {
                cout<<ticketCount<<endl;
                ticketCount--;
            }
        }
        // mtx.unlock();
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));//休眠100ms
    }
}