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线程安全

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线程安全程式设计中的术语,指某个函数函数库多线程环境中被调用时,能够正确地处理多个线程之间的公用变量,使程序功能正确完成。

假设有间银行只有 1000 元,而两个人同时提领 1000 元时就可能会拿到总计 2000 元的金额。为了避免这个问题,该间银行提款时应该使用互斥锁,即意味着针对同一个资源处理时,前一个人提领交易完成后才处理下一笔交易。但这种手法会使得性能降低。

一般来说,线程安全的函数应该为每个调用它的线程分配专门的空间,来储存需要单独保存的状态(如果需要的话),不依赖于“线程惯性”,把多个线程共享的变量正确对待(如,通知编译器该变量为“易失(volatile)”型,阻止其进行一些不恰当的优化),而且,线程安全的函数一般不应该修改全局对象。

很多C库代码(比如某些strtok的实现,它将“多次调用中需要保持不变的状态”储存在静态变量中,导致不恰当的共享)不是线程安全的,在多线程环境中调用这些函数时,要进行特别的预防措施,或者寻找别的替代方案。

例子

在下面这段代码中,函数increment_counter是线程安全的,但不是可重入的。

#include <pthread.h>

int increment_counter ()
{
	static int counter = 0;
	static pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

	pthread_mutex_lock(&mutex);
	
	// only allow one thread to increment at a time
	++counter;
	// store value before any other threads increment it further
	int result = counter;	

	pthread_mutex_unlock(&mutex);
	
	return result;
}

上面的代码中,函数increment_counter可以在多个线程中被调用,因为有一个互斥锁mutex来同步对共享变量counter的访问。但是如果这个函数用在可重入的中断处理程序中,如果在pthread_mutex_lock(&mutex)和pthread_mutex_unlock(&mutex)之间产生另一个调用函数increment_counter的中断,则会第二次执行此函数,此时由于mutex已被lock,函数会在pthread_mutex_lock(&mutex)处阻塞,并且由于mutex没有机会被unlock,阻塞会永远持续下去。简言之,问题在于 pthread 的 mutex 不可重入。

解决办法是设定 PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE 属性。然而对于给出的问题而言,专门使用一个 mutex 来保护一次简单的增量操作显然过于昂贵,因此c++11中的原子变量提供了一个可使此函数既线程安全又可重入(而且还更简洁)的替代方案:

#include <atomic>

int increment_counter ()
{
	static std::atomic<int> counter(0);
	
	// increment is guaranteed to be done atomically
	int result = ++counter;

	return result;
}

外部链接