多线程编程 -- 线程安全的链表

线程安全的链表

接下来写一个线程安全的链表

双链表中每个节点都有一个指针指向列表中下一个节点，还有一个指针指向前一个节点。其中不变量就是节点A中指向“下一个”节点B的指针，还有前向指针。为了从列表中删除一个节点，其两边节点的指针都需要更新。当其中一边更新完成时，不变量就被破坏了，直到另一边也完成更新；在两边都完成更新后，不变量就又稳定了。

从一个列表中删除一个节点的步骤如下
1.找到要删除的节点N
2.更新前一个节点指向N的指针，让这个指针指向N的下一个节点
3.更新后一个节点指向N的指针，让这个指正指向N的前一个节点
4. 删除节点N

线程间潜在问题就是修改共享数据，致使不变量遭到破坏。当不做些事来确保在这个过程中不会有其他线程进行访问的话，可能就有线程访问到刚刚删除一边的节点；这样的话，线程就读取到要删除节点的数据(因为只有一边的连接被修改，如图3.1(b))，所以不变量就被破坏。破坏不变量的后果是多样，当其他线程按从左往右的顺序来访问列表时，它将跳过被删除的节点。在一方面，如有第二个线程尝试删除图中右边的节点，那么可能会让数据结构产生永久性的损坏，使程序崩溃。无论结果如何，都是并行代码常见错误：条件竞争(race condition)。

解决方案： 使用互斥量保护列表

std::list<int>some_list;
MutexLock lock;

void add_to_list(int new_value){
   LockGuard guard(&lock);
   some_list.push_back(new_value);
}

bool list_contains(int value_to_find){
   LockGuard guard(&lock);
   return std::find(some_list.begin(),some_list.end(),value_to_find) != some_list.end();
}

清单3.1中有一个全局变量①，这个全局变量被一个全局的互斥量保护②。add_to_list()③和list_contains()④函数中使用lock_guard，使得这两个函数中对数据的访问是互斥的：list_contains()不可能看到正在被add_to_list()修改的列表。
虽然某些情况下，使用全局变量没问题，但在大多数情况下，互斥量通常会与保护的数据放在同一个类中，而不是定义成全局变量。这是面向对象设计的准则：将其放在一个类中，就可让他们联系在一起，也可对类的功能进行封装，并进行数据保护。在这种情况下，函数add_to_list和list_contains可以作为这个类的成员函数。互斥量和要保护的数据，在类中都需要定义为private成员，这会让访问数据的代码变的清晰，并且容易看出在什么时候对互斥量上锁。当所有成员函数都会在调用时对数据上锁，结束时对数据解锁，那么就保证了数据访问时不变量不被破坏。
当然，也不是总是那么理想，聪明的你一定注意到了 ：当其中一个成员函数返回的是保护数据的指针或引用时，会破坏对数据的保护。具有访问能力的指针或引用可以访问(并可能修改)被保护的数据，而不会被互斥锁限制。互斥量保护的数据需要对接口的设计相当谨慎，要确保互斥量能锁住任何对保护数据的访问，并且不留后门。