C++并发：在线程间共享数据

1 线程间共享数据的问题

1.1 条件竞争

条件竞争：在并发编程中：操作由两个或多个线程负责，它们争先让线程执行各自的操作，而结果取决于它们执行的相对次序，这样的情况就是条件竞争。

诱发恶性条件竞争的典型场景是，要完成一项操作，却需要改动两份或多份不同的数据，而它们只能用单独的指令改动，当其中的一份数据完成改动时，别的线程有可能不期而访。并且由于这样的场景出现的时间窗口小，因此一般很难复现场景定位。

1.2 防止恶性条件竞争

有如下方法：

1 采取保护措施包装数据结构，确保中间状态只对执行改动的线程可见。

2 修改设计，由一连串不可拆分的改动完成数据变更，每个改动都维持不变量不被破坏。这通常称为无锁编程，难以正确编写。如果从事这一层面的开发，就要探究内存模型的细节，以及区分每个线程能够看到什么数据集。

3 修改数据结构来当作事务处理。

2 用互斥保护共享数据

访问一个数据结构前，先锁住与数据相关的互斥，访问结束后再解锁互斥。C++线程库保证了，一旦有线程锁住了某个互斥，若其他线程试图再给他加锁，需要等待。

互斥也可能带来某些问题，比如死锁，对数据的过保护和欠保护。

2.1 std::mutex

C++中使用std::mutex的实例来构造互斥。

可以通过成员函数lock()对其加锁，unlock()进行解锁。但是并不推荐直接调用成员函数，原因是这样需要记住在函数以外的每条代码路径都要调用unlock()，包括异常退出的路径。

取而代之，C++便准库提供了模板std::lock_guard<>，针对互斥类融合实现了RAII：在构造时加锁，在析构时解锁，从而保证互斥总被正确解锁。

#include <list>
#include <mutex>
#include <algorithm>

std::list<int> some_list;
std::mutex some_mutex;
void add_to_list(int new_value) {
    std::lock_guard<std::mutex> guard(some_mutex);
    some_list.push_back(new_value);
}

bool list_contains(int value_to_find) {
    std::lock_guard<std::mutex> guard(some_mutex);
    return std::find(some_list.begin(), some_list.end(), value_to_find) != some_list.end();
}

C++17支持了模板参数推导，使得上述实现可以写成如下样式。并且引入了std::scoped_lock，他是增强版的lock_guard

std::lock_guard guard(some_mutex);

std::scoped_guard guard(some_mutex);

2.2 指针和引用打破互斥保护

如果成员函数返回指针或引用，指向受保护的数据，那么即便成员函数全部按良好、有序的方式锁定互斥，仍然会无济于事。

只要存在任何能访问该指针和引用的代码，它就可以访问受保护的共享数据，而无需锁定互斥。因此，利用互斥保护共享数据，需要谨慎设计程序接口，从而保证互斥已先行锁定，再对受保护的共享数据进行访问。

2.3 组织和编排代码以保护共享数据

我们除了要防止成员函数向调用者传出指针或者引用，还要注意成员函数内部调用的别的函数，也不要向这些函数传递指针或者引用。

#include <mutex>
#include <string>

class some_data {
    int a;
    std::string b;

public:
    void do_something();
};

class data_wrapper {
private:
    some_data data;
    std::mutex m;
public:
    template<typename Function>
    void process_data(Function func) {
        std::lock_guard<std::mutex> l(m);
        func(data);
    }
};

some_data* unprotected;

void malicious_function(some_data& protected_data) {
    unprotected=&protected_data;
}
data_wrapper x;

void foo() {
    x.process_data(malicious_function);
    unprotected->do_something();
}

比如上述代码，malicious_function方法将被互斥锁保护的data_wrapper中的some_data的引用赋值给外面的unprotected，导致互斥保护被打破，在外面可直接通过unprotected进行操作。

2.4 发现接口固有的条件竞争

#include <deque>
template<typename T, typename Container=std::deque<T>>
class stack {
public:
    explicit stack(const Container&);
    explicit stack(Container&& = Container());
    template <class Alloc> explicit stack(const Alloc&);
    template <class Alloc> stack(const Container&, const Alloc&);
    template <class Alloc> stack(Container&, const Alloc&);
    template <class Alloc> stack(stack&&, const Alloc&);

    bool empty() const;
    size_t size() const;
    T& top();
    T const& top() const;

    void push(T const&);
    void push(T&&);
    void pop();
    void swap(stack&&);
    template <class... Args> void emplace(Args&&... args);
};

上述实现会导致条件竞争，也就是empty和size的结果不可信，因为在函数返回后，其他线程不再受限，可能马上会有新元素入栈或者出栈。

|--------------------------|--------------------------|
| 线程1 | 线程2 |
| if(!s.empty()) | |
| | if(!s.empty()) |
| int const value=s.top(); | |
| | int const value=s.top(); |
| s.pop(); | |
| do_something(value); | s.pop(); |
| | do_something(value); |

这样，当一个栈只有一个元素的时候，第二个pop的线程会导致未定义行为。

并且，当我们复制vector时，如果vector中的元素数量巨大，可能导致因为资源不足造成的内存分配失败。pop函数的定义是，返回栈顶元素的值，并且将其从栈顶移除。因此，只有在栈被改动之后，弹出的元素才返回给调用者，然而在向调用者复制数据的过程中，有可能抛出异常。万一弹出的元素已经从栈上移除，但是复制不成功，就会造成数据丢失。

2.4.1 消除竞争

2.4.1.1 传入引用

std::vector<int> result;
some_stack.pop(result);

优点：pop的元素在外部容器白村了生命周期

缺点：如果要调用pop，还要先闯将一个别的容器。

2.4.1.2 提供不抛出异常的拷贝构造函数，或不抛出异常的移动构造函数

这样虽然安全，但是效果并不理想。栈容器的用途会受限。

2.4.1.3 返回指针，指向弹出元素

优点：指针可以自由的复制，不会抛出异常。

缺点：指向的对象仍然在内存中，需要额外的内存管理，可以使用shared_ptr。

2.4.1.4 结合1，2或者1，3

2.4.1.5 线程安全的栈容器

#include <exception>
#include <memory>
#include <mutex>
#include <stack>

struct empty_stack: std::exception {
    const char* what() const throw();
};

template<typename T>
class threadsafe_stack {
private:
    std::stack<T> data;
    mutable std::mutex m;
public:
    threadsafe_stack() {}
    threadsafe_stack(const threadsafe_stack& other) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(other.m);
        data=other.data;
    }
    threadsafe_stack operator=(const threadsafe_stack&) = delete;
    void push(T new_value) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(m);
        data.push(std::move(new_value));
    }

    std::shared_ptr<T> pop() {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(m);
        if (data.empty()) throw empty_stack();
        std::shared_ptr<T> const res(std::make_shared<T>(data.top()));
        data.pop();
        return res;
    }

    void pop(T& value) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(m);
        if (data.empty()) throw empty_stack();
        value = data.pop();
        data.pop();
    }
    bool empty() const {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(m);
        return data.empty();
    }
};

2.5 死锁：问题和解决方法

防范死锁的建议通常是，始终按照相同的顺序对两个互斥加锁。

C++标准提供了std::lock函数，使得可以同时锁住多个互斥。

#include <mutex>
class some_big_object;
void swap(some_big_object& lhs, some_big_object& rhs);
class X {
private:
    some_big_object some_detail;
    std::mutex m;
public:
    X(some_big_object const& sd) : some_detail(sd){}
    friend void swap(X& lhs, X& rhs);
    {
        if (&lhs == & rhs)
            return;
        std::lock(lhs.m, rhs.m);
        std::lock_guard<std::mutex> lock_a(lhs.m, std::adopt_lock);
        std::lock_guard<std::mutex> lock_b(rhs.m, std::adopt_lock);
        swap(lhs.some_detail, rhs.some_detail);
    }
};

std::adopt_lock对象指明了互斥已被锁住，即互斥上有锁存在。std::lock_guard实例据此接收锁的归属权，不会在构造函数内试图另行加锁。

无论是正常返回还是异常退出，std::lock_guard都保证了互斥全都正确解锁。

另外，lock()对lhs.m或rhs.m进行加锁，这一函数调用可能导致抛出异常。

C++17还提供了全新的特性std::scoped_lock<>。它和std::lock_guard<>完全等价。只不过前者是可变参数模板，接收各种互斥型别作为模板参数列表，还能以多个互斥对象作为构造函数的参数列表。

void swap(X& lhs, X& rhs)
{
    if (&lhs==&rhs)
        return;
    std::scoped_lock guard(lhs.m, rhs.m);
    swap(lhs.some_detail, rhs.some_detail);
}

使用新特性实现如上，并且上述代码还是用了类模板参数推导（C++17）。使用std::scoped_lock将lock和lock_guard合并为一句，降低出错概率。

2.6 防范死锁的补充准则