Question

在C或C ++程序中，如果2个线程使用相同的全局变量，则需要通过互斥锁来锁定var。

但在哪些情况下呢？

线程1：读取线程2：读取
线程1：写线程2：读取
线程1：写线程2：写

当然你需要锁定案例3，但其他2个案例是什么？案例2（非原子操作）会发生什么？是否存在某种访问冲突或者线程2是否只获得旧值？我对此感到困惑，因为硬件级别的内存和寄存器不能同时访问（在普通的PC硬件中），还是我们有某种并行CPU和并行总线到并行ram芯片？

Answer 1

想想每个案例中可能发生的事情。我们只考虑竞争条件：这很简单，这足以让我们看到后果。

在情况1中，变量未被修改，因此无论顺序是什么，两个线程都将读取相同的值。基本上，这里没有任何问题。

案例2和3更糟糕。假设你有一个竞争条件，并且不知道哪个线程会提前访问。这意味着：

对于情况2：所有操作结束时变量的值都很好（它将是线程1写入的值），但是线程2可能得到变量的旧值，这可能导致崩溃，或其他问题。

对于情况3：变量的结束值是不可预测的，因为它取决于最后执行写操作的线程。

对于情况2和3，也可能发生其中一个线程在处于不一致状态时尝试访问该变量，并且您可能最终得到其中一个线程读取的一些垃圾数据（即Case 2），甚至在完成所有操作后变量中的垃圾数据。

所以，请锁定案例2和3。

Answer 2

锁定规则很简单：

如果您写入一个由另一个线程同时访问的变量，那么您需要正确的操作顺序（例如，通过锁定）。

通过这个简单的规则，我们可以轻松评估每个案例：

无需写入，无需同步
写入，并发访问，需要同步
写入，并发访问，需要同步

如果你不锁定会发生什么？

嗯，正式来说，这是未定义的行为。意思是我们不知道。虽然唯一可能的回应确实有助于掌握问题的严重程度。

在机器级别，可能发生的是：

如果是：访问陈旧值
在读取的情况下：访问部分值（只有一半在您查看时更新）
在写的情况下：最终值是值的大杂烩（在位级别）

...让我们不要忘记，每当您读取不正确的指针/尺寸时，都可能导致崩溃。

在编译器级别，编译器可以优化，就好像线程具有唯一访问权限一样。在这种情况下，它可能意味着：

删除“多余”读取：将while (flag)转换为if (flag) while (true) ...
删除“未使用”写入
...

内存防护和显式同步指令（使用互斥锁引入）会阻止这些优化。

Answer 3

规则很简单：如果一个对象被访问（读或写）多个线程，并由任何线程修改，然后所有访问需要同步。否则，你有未定义行为。

Answer 4

除了两种情况外，它看起来并不那么简单：

当只有读者而没有作家时，不需要同步。
当有多个线程正在写入并且其中至少有一个正在执行读取 - 修改 - 写入操作（例如++x;）时，总是需要同步，或者您将得到完全不可预测的结果。

在所有其他情况下，如果您有至少一个编写器和一个阅读器（或多个编写者），那么通常（极少数例外）需要同步访问权限，但不一定总是，并不总是以最严格的方式。

这在很大程度上取决于您需要什么样的保证。有些应用程序需要在线程上进行严格的顺序一致性（有时甚至需要锁定公平性）。有些应用程序同样可以正常工作，但性能要好得多，如果它们只在同一个线程中有保证。然而，其他应用程序甚至不需要那么多，并且完全满意放松操作或根本没有任何保证。

例如，工作线程的这种“典型”实现有一个作者和一个读者：

// worker thread
running = true;
while(running) { task = pull_task(); execute(task); }

// main thread exit code
running = false;
join(workerthread);

无需任何同步即可完美运行。是的，迂腐地说，running的价值何时或如何变化是不明确的，但实际上并没有区别。内存位置无法具有一些“随机”中间值，并且由于工作线程很可能正在忙于执行任务，因此更改是否在之前或之后几十纳秒内可见并不重要。在最糟糕的情况下，它会在几毫秒后获得更改。最后，在下一次迭代中，工作线程将接收更改并退出几年前在Dobb博士发表的SPSC快进队列也采用了类似的原则，只有指针。

GCC documentation中给出了关于许多不同同步模式及其含义的完整而全面的阅读。

在哪些情况下我需要锁定变量来同时访问？

4 个答案: