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用条件变量实现事件等待器的正确与错误做法

2013-09-10 00:21 浏览: 732337 次 我要评论(0 条) 字号:

TL;DR 如果你能一眼看出 https://gist.github.com/chenshuo/6430925 中的那 8 个 Waiter classes 哪些是对的哪些是错的,本文就不必看了。

前几天,我发了一条微博 http://weibo.com/1701018393/A7FrW7ZVd ,质疑某本书对 Pthreads 条件变量的封装是错的,因为它没有把 mutex 的 lock()/unlock() 函数暴露出来,导致无法实用。后来大家讨论的分歧是这个 cond class 是不是通用的条件变量封装,还是只是一个特殊的“事件等待器”。作为事件等待器,其实现也是错的,因为存在丢失事件的可能,可以算是初学者使用条件变量的典型错误。

本文的代码位于 recipes/thread/test/Waiter_test.cc,这里提到的某书的版本相当于 Waiter1 class。

我在拙作《Linux 多线程服务端编程:使用 muduo C++ 网络库》第 2.2 节总结了条件变量的使用要点:

条件变量只有一种正确使用的方式,几乎不可能用错。对于 wait 端:
1. 必须与 mutex 一起使用,该布尔表达式的读写需受此 mutex 保护。
2. 在 mutex 已上锁的时候才能调用 wait()。
3. 把判断布尔条件和 wait() 放到 while 循环中。

对于 signal/broadcast 端:
1. 不一定要在 mutex 已上锁的情况下调用 signal (理论上)。
2. 在 signal 之前一般要修改布尔表达式。
3. 修改布尔表达式通常要用 mutex 保护(至少用作 full memory barrier)。
4. 注意区分 signal 与 broadcast:“broadcast 通常用于表明状态变化,signal 通常用于表示资源可用。(broadcast should generally be used to indicate state change rather than resource availability。)”

如果用条件变量来实现一个“事件等待器/Waiter”,正确的做法是怎样的?我的最终答案见 WaiterInMuduo class。“事件等待器”的一种用途是程序启动时等待初始化完成,也可以直接用 muduo::CountDownLatch 到达相同的目的,将初值设为 1 即可。

以下根据微博上的讨论过程给出几个正确或错误的版本,博大家一笑。只要记住 Pthread 的条件变量是边沿触发(edge trigger),即 signal()/broadcast() 只会唤醒已经等在 wait() 上的线程(s),我们在编码时必须要考虑 signal() 早于 wait() 的可能,那么就很容易判断以下各个版本的正误了。代码见 recipes/thread/test/Waiter_test.cc

版本一:错误。某书上的原始版,有丢失事件的可能。

1

版本二:错误。lock() 之后再 signal(),同样有丢失事件的可能。

2

版本三:错误。引入了 bool signaled_; 条件,但没有正确处理 spurious wakeup。

版本四五六:正确。

版本七:最佳。

版本八:错误。存在 data race,且有丢失事件的可能。理由见 http://stackoverflow.com/questions/4544234/calling-pthread-cond-signal-without-locking-mutex

总结:使用条件变量,调用 signal() 的时候无法知道是否已经有线程等待在 wait() 上。因此一般总是要先修改“条件”,使其为 true,再调用 signal();这样 wait 线程先检查“条件”,只有当条件不成立时才去 wait(),避免了丢事件的可能。换言之,通过使用“条件”,将边沿触发(edge trigger)改为电平触发(level trigger)。这里“修改条件”和“检查条件”都必须在 mutex 保护下进行,而且这个 mutex 必须用于配合 wait()。

思考题:如果用两个 mutex,一个用于保护“条件”,另一个专门用于和 cond 配合 wait(),会出现什么情况?

最后注明一点,http://stackoverflow.com/questions/6419117/signal-and-unlock-order 这篇帖子里对 spurious wakeup 的解释是错的,spurious wakeup 指的是一次 signal() 调用唤醒两个或以上 wait()ing 的线程,或者没有调用 signal() 却有线程从 wait() 返回。manpage 里对 Pthreads 系列函数的介绍非常到位,值得细读。



陈硕 2013-09-09 03:01 发表评论


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