C++11 并发教程——Part2：保护共享数据

在前面一篇文章，我们知道怎么使用线程并行地执行程序。在每个线程中执行的代码都是独立的。通常情况下，多个线程之间会用到共享数据。此时，我们就会面临一个问题：同步。

通过下面一段简单的代码来分析同步问题。

同步问题

下面这个例子，我们探讨一个简单的计数器类。这个类有一个数据成员value和成员函数（增加数据成员value）。

class Counter
{
public:
	void increase()
	{
		value++;
	}
private:
	int value;
};

这并没什么新颖的东西。现在，我们启动一些线程来进行一些increase操作。

int main()
{
	Counter counter(0);

	std::vector<thread> threadVec;

	for (int i = 0; i < 5; ++i)
	{
		threadVec.push_back(thread([&counter]()
			{
				for(int j = 0; j < 1000; ++j)
				{
					counter.increaseValue();
				}
			}
		));
	}

	for (auto& thread : threadVec)
	{
		thread.join();
	}
	cout<<counter.value<<endl;
}

我们启动了5个线程，每个线程对counter对象进行100次的increaseValue操作。当所有的线程运行完毕，我们输出counter对象的value值。

当我们运行程序后，期待的输出结果为500.但是结果并不是这样，下面是我计算机上的输出结果：

问题在于increaseValue操作并不是一个原子操作。事实上，每一个increaseValue操作是由三步组成：

读取value的当前值

对当前值加1

将加1后的值赋给value

在单线程的情况下，上面的代码没有问题。但是在多线程环境下，上面的代码就会有问题。可以想象：

Thread 1 : read the value, get 0, add 1, so value = 1
Thread 2 : read the value, get 0, add 1, so value = 1
Thread 1 : write 1 to the field value and return 1
Thread 2 : write 1 to the field value and return 1

这些情况来自于我们的调用交错。针对这个问题，我们有以下几种解决方案：

SemaphoresAtomic references

MonitorsCondition codesCompare and swap

接下来，我们讲学习怎么用信号量去解决该问题。事实上，我们将一种特殊的信号量叫做互斥量。互斥量是这样一个对象，同一时刻只有一个线程可以成功进行lock操作。互斥量的这个强而有力的特性可以帮助我们修正上面的同步问题。

使用信号量使我们的Counter线程安全

在C++11的线程库中，已经实现了std::mutex类，这个类有两个重要的操作mutex: lock() 和unlock()。正如他们名字，第一个函数是使线程获取锁，第二是使线程释放锁。lock方法是阻塞的，lock只有当线程获取到lock才会返回。

为了使类Counter线程安全，我们要在该类中添加成员变量set::mutex ，然后在每一个成员函数中调用 lock()/unlock() 方法。

class Counter
{
public:
	Counter(int _value):value(_value){}
	void increaseValue()
	{
		mutex.lock();
		++value;
		mutex.unlock();
	}
	int value;
	std::mutex mutex;
};

我们可以测试上面的代码，输出的结果为500.和我们期望的一样。

异常和互斥量
现在，我们考虑下其它情况，Counter类有个decreaseValue操作并且当value的值为0是throw出一个异常。

struct Counter {
    int value;
    
    Counter() : value(0) {}

    void increment(){
        ++value;
    }

    void decrement(){
        if(value == 0){
            throw "Value cannot be less than 0";
        }

        --value;
    }
};

我们想在不修改此类的情况下并发地访问该类，所以我们为此类创建一个带有lock的包装器类。

struct ConcurrentCounter {
    std::mutex mutex;
    Counter counter;

    void increment(){
        mutex.lock();
        counter.increment();
        mutex.unlock();
    }

    void decrement(){
        mutex.lock();
        counter.decrement();        
        mutex.unlock();
    }
};

这个包装器类在大多数情况下都没问题，但是当decreaseValue方法抛出异常时，你会碰到大问题。确实异常发生时，unlock函数不会被调用，所以这个锁也不会被释放。这样，上面代码就会被阻塞。为了修正此问题，不得不使用try/cathch结构来释放该锁。

void decrement(){
    mutex.lock();
    try {
        counter.decrement();
    } catch (std::string e){
        mutex.unlock();
        throw e;
    } 
    mutex.unlock();
}

上面的代码没什么难度，但是看起来很丑陋。下面是一种很优雅的解决方法。

http://www.baptiste-wicht.com/2012/03/cp11-concurrency-tutorial-part-2-protect-shared-data/

C++11 并发教程——Part2：保护共享数据

同步问题

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