Question

我为我的项目制作了一个手工制作的互斥锁，但我怀疑它是否是线程安全的......

    bool blocked;

    while ( blocked )
    {

    }

    blocked = true;
    ...
    blocked = false;

让我们说，线程A传递while循环并且没有及时阻塞标志（没有时间将标志设置为false）而线程B也通过while循环！

有可能吗？为什么呢？
当我得到它时，互斥体具有完全相同的工作原理。为什么不能在互斥锁中发生这种情况？我读过关于无法中断的原子操作......所以check-if-mutex-available和mutex-block不能被打断，对吧？

Answer 1

您的代码完全不存在了！

原因是对变量blocked的访问不是原子的。如果在第一个线程写出true更新并且更新传播到所有CPU之前发生了两次读取，则两个线程可以同时读取并确定互斥锁已解锁。

你需要原子变量和原子交换来解决这个问题。 atomic_flag类型正是您想要的：

#include <atomic>

std::atomic_flag blocked;

while (blocked.test_and_set()) { }  // spin while "true"

// critical work goes here

blocked.clear();                    // unlock

（或者，您可以使用std::atomic<bool>和exchange(true)，但atomic_flag专门用于此目的。）

如果这是单线程上下文，原子变量不仅会阻止编译器重新排序出现的代码，而且它们还会使编译器生成必要的代码以防止CPU本身以一种允许不一致的执行流程的方式重新排序指令。

事实上，如果你想提高效率，你可以在集合和清除操作上要求更便宜的内存排序，如下所示：

while (blocked.test_and_set(std::memory_order_acquire)) { }  // lock

// ...

blocked.clear(std::memory_order_release);                    // unlock

原因是你只关心一个方向的正确排序：另一个方向的延迟更新不是很昂贵，但需要顺序一致性（默认情况下）可能很昂贵。

重要提示：以上代码是所谓的自旋锁，因为当状态被锁定时，我们会进行忙碌旋转（while循环）。这在几乎所有情况下都非常糟糕。内核提供的互斥系统调用是一个完全不同的鱼群，因为它允许线程向内核发出信号，它可以进入睡眠状态并让内核取消整个线程的计划。这几乎总是更好的行为。

Answer 2

这是可能的，因为处理器可以在进入循环后从第一个线程切换到第二个线程，但是在锁定互斥锁之前。
这是可能的，因为他们使用内核级操作来确保在某个操作完成之前不切换线程。

例如，在Windows上，您可以使互斥锁看起来像this。

Answer 3

你已经得到了它。

是的，这很有可能。对于单核，线程由操作系统通过timeslicing执行。它运行线程A一点，然后暂停它，并运行线程B一点。传递while循环后，线程A可能会暂停。
为了解决这些问题，CPU已经实现了不能被任何东西打断的特殊指令。这些原子操作由互斥锁用于检查标志，并在一次操作中设置它。

Answer 4

是的，您所描述的情况可能会发生。这样做的原因是线程可以在测试blocked为false和将blocked设置为true之间中断。要获得所需的行为，您需要使用或模拟原子测试和设置操作。

有关测试和设置的更多信息，请参见here。

Answer 5

互斥实现必须确保互斥（这是它的含义）而不是在您的代码中获得。它需要一些原子变量和适合其访问的内存顺序。在C ++ 11中，最好使用std::mutex（理想情况下与std::lock一起使用），对于C ++ 03，您可以使用boost::mutex等。

C ++手工制作的互斥体

5 个答案: