C++-多线程数据共享问题和互斥锁

线程数据共享问题

多线程的优势之一就是线程之间可以共享数据，但我们需要一套规则规定哪个线程可以访问哪部分数据，什么时候可以访问，以及怎么通知其他关心该数据的线程已经更新了数据，如果不能处理好数据共享的问题，多线程的这个优势也会变为劣势。
线程间共享数据的所有问题都是因为对数据的修改，一个只读的数据不会造成任何问题。

不变式与竞争条件

这里要提到一个概念：不变式（invariant），意思是关于特定数据结构的陈述始终正确。例如：“x变量保存着列表中元素的个数”，但这些不变式常常在数据更新的时候被破坏。

考虑一个双向链表，节点保存着指向上一个和下一个节点的指针，这里的不变式之一就是”如果你沿着A节点的下一个指针找到了B节点，那么通过B节点的上一个指针也能找到A“，当我们执行删除节点操作时，经历以下步骤：

1. 确定删除的节点
2. 更新删除节点的上一节点的下一个指针
3. 更新删除节点的下一个节点的上一个指针
4. 删除节点
   在2和3步骤，这个不变式就会破坏（此时关于该数据结构的陈述是错误的），直到删除操作完成时才为真。
   假如现在有三个节点a，b，c，当线程在删除b节点时执行完步骤2，此时另一个线程在执行删除c节点的操作，此时c通过指针找到的上一个节点是b，在访问和修改b节点指针或其他相关数据的时候，b节点可能已经被删除，从而导致程序崩溃。
   这是竞争条件（race condition）的一个典型例子，在并发领域中，竞争条件的含义是结果依赖于线程执行的顺序，有时这些不同的结果都可以接受，但有时这些结果可能破坏不变式，那么就会造成问题。我们说的竞争条件通常是后者。竞争条件可以细分很多种，如数据竞争（多个线程对同一对象的修改）。
   竞争条件经常出现在执行一个操作，该操作包含修改多个独立数据的情况下，当部分数据被修改，另一个线程可能会访问该数据。
   竞争条件通常和比较难以发现和复现，在调试环境下由于改变了程序的执行速度，因此竞争条件通常没法调试中复现。

使用并发技术的编写程序的复杂性主要来自于避免竞争条件。

避免竞争条件

解决竞争条件的最简单方法就是把数据通过某种保护机制保护起来，保证只有正在修改数据的线程可以看到操作的中间过程（2，3步骤）。
另一种方式是改变数据结构设计和不变式，使得每次修改数据都是不可再分的操作，写每次修改都能保持不变式，这通常意味着lock-free programming（后面介绍）。
还有一种方式是把修改数据看作事务，即software transactional memory，有兴趣的自行了解一下。

互斥锁

C++标准库提供了std::mutex，有一个lock和unlock方法，但我们通常不直接调用这两个方法，而是使用std::lock_guard，其实现了互斥锁的RAII，构建时锁定互斥锁，析构时解锁互斥锁

#include 
#include 
#include 
std::list<int> some_list; 
std::mutex some_mutex; 
void add_to_list(int new_value)
{
    std::lock_guard<std::mutex> guard(some_mutex); 
    some_list.push_back(new_value);
}
bool list_contains(int value_to_find) 
{
    std::lock_guard<std::mutex> guard(some_mutex); 
    return std::find(some_list.begin(),some_list.end(),value_to_find)
    != some_list.end();
}

当有互斥锁已经被一个线程获取，其他线程执行到std::lock_guard guard(some_mutex);或者some_mutex.lock()时，线程会阻塞在该语句，直到锁被释放。注意，同一线程不能多次获取同一个锁，否则会引发异常。
上面的代码保证了add_to_list和list_contains调用总是互斥的，通常情况下，这足以保护数据的安全，但是要注意，如果接口返回值或者参数包含了相关数据的指针或者引用，就能做到在没有互斥锁保护的情况下随意访问数据，因此这依赖于接口的设计。
除此以外，也不要使用用户的可调用对象来处理数据。如下代码足以说明这一点

class some_data
{
    int a;
    std::string b;

public:
    void do_something();
};
class data_wrapper
{
private:
    some_data data;
    std::mutex m;

public:
    template <typename Function>
    void process_data(Function func)
    {
        std::lock_guard<std::mutex> l(m);
        func(data);//危险！
    }
};
some_data *unprotected;
void malicious_function(some_data &protected_data)//被保护数据的引用
{
    unprotected = &protected_data;//保存数据地址
}
data_wrapper x;
void foo()
{
    x.process_data(malicious_function);
    unprotected->do_something();//随意访问
}

总之，不要将受保护数据的指针和引用传递到锁保护范围之外的，无论是通过从函数返回值、还是将其存储在外部可见的内存中，还是将其作为参数传递给用户提供的可调用对象中。