使用C++11多线程模拟多窗口售票出现的常见问题分析总结以及最终解决方案

1. 单线程(单窗口)卖票

static int Count = 100;

void SellTicket() {
	while (Count > 0) {
		Count--;
	}
}

如果在单线程环境下，该方法永远不会出错，因为不会产生竞态条件，那么什么是竞态条件。

2. 竞态条件

多线程环境中，无论线程如何随着调度算法的不同产生不同的执行顺序，运行结果总能保持一致性。

3.1 第一个多线程版本：锁加到循环外边

static int Count = 100;
std::mutex tex;

void SellTicket(int threadid) {
	tex.lock();
	while (Count > 0) {
		Count--;
		cout << "threadid = " << threadid << "卖出一张票" << "，目前剩余" << Count << "张票" << endl;
	}
	tex.unlock();
}

int main() {
	list<thread>tlist;
	for (int i = 0; i < 3;++i) {
		tlist.push_back(std::thread(SellTicket,i));
	}
	for (thread& t : tlist) {
		t.join();
	}
	return 0;
}

过程分析：

当一个线程获取到锁以后，其他线程就无法进入到循环中，所以有一个很严重的问题，一旦某个线程获取锁进入循环，会将所有票卖出以后，才会退出循环并释放锁，那么其他线程获取锁后就没有票可卖，设计很不合理。

执行结果：

3.2 第二个多线程版本：锁放在循环中

void SellTicket(int threadid) {
	while (Count > 0) {
		tex.lock();
		Count--;
		cout << "threadid = " << threadid << "卖出一张票" << "，目前剩余" << Count << "张票" << endl;
		tex.unlock();
	}
}

过程分析：
我们知道Count--;并非是一个原子性的操作，在汇编层面至少有三条指令：

mov eax, Count
sub eax,1
move Count,eax

当我们的Count == 1时，线程A进入循环并且获取到锁，执行上面三条指令的第一条以后，时间片到了，此时Count == 1，还没有被改变，那么其他两个线程BC也可以进入到循环中，只不过无法获取锁，被阻塞；
然后，线程A指向完上面的三条指令，并且将锁释放
最后，线程BC以某种顺序依次获取锁，并且对Count做减1操作，那么Count的最终值为-2，也就是说已经没票了，但还是被卖了两次。

执行结果：

3.3 第三个多线程版本：锁+双重判断解决版本2存在的问题

void SellTicket(int threadid) {
	while (Count > 0) { //第一层判断
		tex.lock();
		if (Count > 0) { //第二层判断
			Count--;
			cout << "threadid = " << threadid << "卖出一张票" << "，目前剩余" << Count << "张票" << endl;
		}
		tex.unlock();
	}
}

过程分析：

根据版本2存在的问题，我们添加了第二层判断，线程A释放锁之后，其他线程BC某个线程获取锁以后，分别判断Count的值是大于0的，线程BC直接解锁走人。

执行结果：

3.4 第四个多线程版本：解决unlock()可能无法被正常调用导致的情况，见代码

void SellTicket(int threadid) {
	while (Count > 0) {
		tex.lock();
		if (Count > 0) {
			Count--;
			/*
			实际开发中，这里的可能会有其他的代码，这些代码可能导致程序异常退出、返回、抛异常，
			导致tex.unlock(); 不被执行到，那么这把锁将永远不会被其他线程获取，一直阻塞在这里
			*/
			cout << "threadid = " << threadid << "卖出一张票" << "，目前剩余" << Count << "张票" << endl;
		}
		tex.unlock();
	}
}

C++11引入lock_guard或者unique_lock解决上述问题，lock_guard或者unique_lock对象被创建时会自动上锁，出作用域会或者被析构时，会在析构函数自动解锁。

void SellTicket(int threadid) {
	while (Count > 0) {
		{
			std::lock_guard<std::mutex> lk(tex);
			//std::unique_lock lk(tex);
			if (Count > 0) {
				Count--;
				cout << "threadid = " << threadid << "卖出一张票" << "，目前剩余" << Count << "张票" << endl;
			}
		}//出该临时作用域，自动解锁
	}
}

执行结果：

3.5 第五个多线程版本：volatile 关键字解决线程缓存共享数据导致数据读写不一致的问题

volatile static int Count = 100;

关于volatile关键字的作用，可以在网上搜一下，也可以看一下我的这篇文章：C++关键字之volatile

4.总结

实际上，对于简单类型的互斥操作使用原子变量即可，这里主要是总结一下我们在进行多线程互斥操作时需要考虑的问题。