Question

我想要队列安全的关键部分，以便线程不会同时访问队列。即使我评论与“关键”部分相关的行，此代码仍然有效。任何人都可以解释原因吗？

queue<int> que;
CRITICAL_SECTION csection;
int i=0;

DWORD WINAPI ProducerThread(void*)
{

    while(1)
    {
        //if(TryEnterCriticalSection(&csection))
        {
            cout<<"Pushing value "<<i<<endl;
            que.push(i++);
            //LeaveCriticalSection(&csection);
        }
    }
}

//Consumer tHread that pops out the elements from front of queue
DWORD WINAPI ConsumerThread(void*)
{
    while(1)
    {
        //if(TryEnterCriticalSection(&csection))
        {
            if(!que.empty())
            {
                cout<<"Value in queue is "<<que.front()<<endl;
                que.pop();
            }
            else
                Sleep(2000);
            //LeaveCriticalSection(&csection);
        }
    }
}

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
    HANDLE handle[2];
    //InitializeCriticalSection(&csection);
    handle[0]=NULL;
    handle[1]=NULL;
    handle[0]=CreateThread(0,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)ProducerThread,0,0,0);
    if(handle[0]==NULL)
        ExitProcess(1);

    handle[1]=CreateThread(0,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)ConsumerThread,0,0,0);
    if(handle[1]==NULL)
        ExitProcess(1);

    WaitForMultipleObjects(2,handle,true,INFINITE);

    return 0;
}

Answer 1

在您的特定情况下，cout将比“get”长几百倍。并且当队列为空时你睡觉，这允许另一个线程在你的“消费者”线程获取任何队列之前填满很多队列。

全速运行（无调试打印，无睡眠），确保运行一段时间，并使用简单的数学运算检查另一端的值。

这样的事情：

int old_val = val;
while(1)
{
    if(!que.empty())
    {
       int  val = que.front();

       que.pop();
       if (old_val+1 != val)
       {
          /// Do something as things have gone wrong!
       }
     }
}

请注意，这也可能不会立即/琐碎地出错。你想运行它几个小时，最好还是在机器上运行其他东西 - 比如批处理文件：

@echo off
:again 
dir c:\ /s > NUL:
goto again

[自从我为Windows编写批处理脚本以来已经有一段时间了，所以这可能不是100％正确，但我认为你应该能够对我做错的任何事情进行谷歌搜索 - 这个想法是“闯入” “机器]。

此外，尝试使用每对单独的队列运行您的线程对的多个副本 - 这将强制执行更多计划活动，并可能触发问题。

像安东说的那样，其中一些事情往往很难再现。我在实时操作系统中遇到了问题，其中队列搞砸了 - 唯一的真实迹象是内存最终在“压力测试”期间耗尽（“随机”事情，包括几个不同的中断源）。该操作系统已经在生产测试中的数百个单元中进行了测试，并作为真正的生产系统在现场运行[并且在不同处理器上运行的相同代码在全世界运行电话交换机，同样没有客户对内存泄漏的抱怨] ，看似没有内存泄漏！但是在一个函数中，队列处理中的一个“漏洞”只能运行。在认为是压力测试本身偶尔会遇到队列建立的奇怪情况之后，我最终发现了实际问题 - 队列的读写之间的中断 - 正好是两个教师的漏洞，并且只有在中断例程在发送消息时被另一个中断例程中断...我宁愿不再调试那个！

Answer 2

意外，大概有两个原因：

它不起作用，但你从来没有注意到。消费者会拉出队列中的任何内容，或队列中的任何内容。如果没有任何东西，它会一直睡到生产者推了一些东西。这“有效”，因为生产者只追加到最后，而消费者只从头开始阅读。除了更新size。您很可能最终会有一个队列，该队列处于有元素的状态，但size没有反映它。这是令人讨厌的，但相反的，迟早也可能发生，甚至更加令人讨厌你无从知晓。好吧，你最终可能知道，如果排队的工作项目由于某种原因“消失”或者你的内存不足，那么试着找出原因。
您使用printf（或std::cout，它是相同的），由关键部分内部锁定。这种“类型”以您需要的方式锁定对队列的访问，除非它不。它将在99.9％的时间内工作（不小心，因为消费者将被阻止尝试打印，这比生成器附加到队列所需的时间更长）。但是，当打印后刚刚发生上下文切换时，它突然失败。砰，你死了。

您确实绝对需要使用关键部分对象或互斥锁保护关键代码部分。否则，结果是不可预测的。与人们可能相信的相反，“但它有效”并不是一件好事，它是可能发生的最糟糕的事情。因为它只有在它没有的情况下才有效，然后你不知道为什么。

也就是说，您可以使用IO完成端口，它可以非常高效地完成所有工作。您可以使用GetQueuedCompletionStatus从端口中提取“事件”，然后使用PostQueuedCompletionStatus发布一个。完成端口完成队列的整个处理，包括为您准备好与多个消费者的同步（并且它以LIFO顺序执行，这有利于避免上下文切换和高速缓存失效）。每个事件都包含一个指向OVERLAPPED结构的指针，但是完成端口不使用它，你只需传递任何指针（或者，如果你感觉更好，那么传递指针到OVERLAPPED后面跟着你自己的数据。）

Answer 3

这种错误CRITICAL_SECTION阻止的最大问题之一就是它很难重现它们。你必须预测它如何在没有能够证明它的情况下失败。

当您保护自己的代码而不是包装非线程安全的库调用时，通常可以通过向某个地方添加Sleep来触发竞争条件。在您发布的代码中，没有机会为生产者执行此操作（无论不变量是否已被破坏，它是否在que.push内完成），以及消费者检查的潜在TOCTTOU问题当只有一个使用者时，空队列不存在。如果我们可以将Sleep添加到队列实现中，那么我们就能够以可预测的方式出错。

Answer 4

如果只有一个生产者和一个消费者，则队列代码可能对此类弹出轮询是安全的。如果生产者push使用临时索引/指针将数据插入下一个空队列位置，并且只将增加的'temp index'存储到队列'next empty'成员中，则queue.empty可以返回true，直到它安全为止消费者要弹出的数据。此类操作可能是偶然设计的，也可能是偶然产生的。

一旦你有多个生产者或一个以上的消费者，它肯定会迟早爆炸。

编辑 - 即使队列对一个生产者和一个消费者来说是安全的，除非记录在案，否则你不应该依赖它 - 一些b * * * d将改变实施下一个版本:(

具有两个线程的STL队列（生产者，消费者）

4 个答案: