Question

我目前正在学习有关线程池的基础知识。考虑到网上的一些示例，以下是我编写的一些代码块：

SyncQueue.h

#ifndef SYNC_QUEUE_H
#define SYNC_QUEUE_H

#include <list>
#include <mutex>
#include <iostream>

template<typename T>
class SyncQueue {
public:
  SyncQueue();
  ~SyncQueue();
  SyncQueue(const SyncQueue&) = delete;
  SyncQueue& operator=(const SyncQueue &) = delete;
  void append(const T& data);
  T& get();
  unsigned long size();
  bool empty();
private:
  std::list<T> queue;
  std::mutex myMutex;
};
#endif

SyncQueue.cpp

#include "SyncQueue.h"

template<typename T>
SyncQueue<T>::SyncQueue():
  queue(),
  myMutex() {}

template<typename T>
SyncQueue<T>::~SyncQueue() {}

template<typename T>
void SyncQueue<T>::append(const T& data) {
  std::unique_lock<std::mutex> l(myMutex);
  queue.push_back(data);
}

template<typename T>
T& SyncQueue<T>::get() {
  std::unique_lock<std::mutex> l(myMutex);
  T& res = queue.front();
  queue.pop_front();
  return res;
}

template<typename T>
unsigned long SyncQueue<T>::size() {
  std::unique_lock<std::mutex> l(myMutex);
  return queue.size();
}

template<typename T>
bool SyncQueue<T>::empty() {
  std::unique_lock<std::mutex> l(myMutex);
  return queue.empty();
}

template class SyncQueue<std::function<void()>>;

ThreadPool.h

#ifndef THREAD_POOL_H
#define THREAD_POOL_H

#include <atomic>
#include <functional>
#include <mutex>
#include <thread>
#include <vector>
#include "SyncQueue.h"

class ThreadPool {
public:
  ThreadPool(unsigned long thrdAmount = 0);
  virtual ~ThreadPool();
  void appendTask(std::function<void()> func);
  unsigned long pendingTasks();
private:
  void runThread();
  unsigned int myThrdAmount;
  std::atomic<bool> done;
  SyncQueue<std::function<void()>> syncQueue;
  std::vector<std::thread> threads;
  std::condition_variable myCondVar;
  std::mutex myMutex;
};

#endif

ThreadPool.cpp

#include "ThreadPool.h"

ThreadPool::ThreadPool(unsigned long thrdAmount):
  myThrdAmount(0),
  done(false),
  syncQueue(),
  threads(),
  myCondVar(),
  myMutex() {
  if (thrdAmount > 0) {
    myThrdAmount = thrdAmount;
  } else {
    myThrdAmount = std::thread::hardware_concurrency();
  }
  for (unsigned int i = 0; i < myThrdAmount; i++) {
    threads.push_back(std::thread(&ThreadPool::runThread, this));
  }
}

ThreadPool::~ThreadPool() {
  done = true;
  myCondVar.notify_all();
  for (auto& thrd: threads) {
    if (thrd.joinable()) {
      thrd.join();
    }
  }
}

void ThreadPool::appendTask(std::function<void()> func) {
  syncQueue.append(func);
  {
    std::unique_lock<std::mutex> l(myMutex);
    myCondVar.notify_one();
  }
}

unsigned long ThreadPool::pendingTasks() {
  return syncQueue.size();
}

void ThreadPool::runThread() {
  while (!done) {
    if (syncQueue.empty()) {
      std::unique_lock<std::mutex> l(myMutex);
      myCondVar.wait(l);
      continue;
    }
    syncQueue.get()();
  }
}

main.cpp

#include <unistd.h>
#include <iostream>
#include "ThreadPool.h"

void print() {
  std::cout << "Hello World!" << std::endl;
}

int main(int argc, char const *argv[]) {
  ThreadPool p;
  for (int i = 0; i < 20; i++) {
    p.appendTask(print);
  }
  std::cout << "Pending: " << p.pendingTasks() << std::endl;
  sleep(5);
  for (int i = 0; i < 20; i++) {
    p.appendTask(print);
  }
  return 0;
}

尽管SyncQueue上的所有操作均由互斥锁锁定，并且ThreadPool的条件变量也受互斥锁保护，但代码通常会导致未定义的行为。

也就是说，您能解释一下代码中缺乏线程安全性的地方吗？我应该如何改善它？

Answer 1

 void ThreadPool::appendTask(std::function<void()> func) {
  syncQueue.append(func);
  {
    std::unique_lock<std::mutex> l(myMutex);
    myCondVar.notify_one();
  }
}

void ThreadPool::runThread() {
  while (!done) {
    if (syncQueue.empty()) {
      std::unique_lock<std::mutex> l(myMutex);
      myCondVar.wait(l);
      continue;
    }
    syncQueue.get()();
  }
}

问题是myMutex实际上没有保护任何东西。因此，您的代码在等待队列时遇到了竞争。

考虑：

线程调用runThread看到syncQueue为空。
线程调用appendTask将作业添加到队列并调用notify_one。没有要通知的线程。
调用runThread的线程最终获得对myMutex的锁定，并等待条件变量，但是队列不为空。

将用于等待的条件变量与保护您正在等待的谓词的互斥锁关联起来绝对至关重要。条件变量的全部目的是使您能够自动解锁谓词并等待没有竞争条件的信号。但是您将谓词掩埋在syncQueue内，破坏了条件变量的锁处理逻辑。

您可以通过在syncQueue互斥锁的保护下向myMutex发出所有呼叫来解决此竞争条件。但是使syncQueue可以等待可能更有意义。但这可能会使关闭线程池更加困难。

我应该如何改善线程池以使其更安全？

1 个答案: