线程安全队列有问题吗？

Question

我正在尝试使用c ++中的pthreads编写一个线程安全的队列。 我的程序有93％的时间都在工作。 另外7％的时间它会吐出垃圾，或者似乎睡着了。 我想知道我的队列中是否存在一些上下文切换会破坏它的缺陷？

// thread-safe queue
// inspired by http://msmvps.com/blogs/vandooren/archive/2007/01/05/creating-a-thread-safe-producer-consumer-queue-in-c-without-using-locks.aspx
// only works with one producer and one consumer
#include <pthread.h>
#include <exception>

template<class T>
class tsqueue
{
    private:
        volatile int m_ReadIndex, m_WriteIndex;
        volatile T *m_Data;
        volatile bool m_Done;
        const int m_Size;
        pthread_mutex_t m_ReadMutex, m_WriteMutex;
        pthread_cond_t m_ReadCond, m_WriteCond;
    public:
        tsqueue(const int &size);
        ~tsqueue();
        void push(const T &elem);
        T pop();
        void terminate();
        bool isDone() const;
};

template <class T>
tsqueue<T>::tsqueue(const int &size) : m_ReadIndex(0), m_WriteIndex(0), m_Size(size), m_Done(false) {
    m_Data = new T[size];
    pthread_mutex_init(&m_ReadMutex, NULL);
    pthread_mutex_init(&m_WriteMutex, NULL);
    pthread_cond_init(&m_WriteCond, NULL);
    pthread_cond_init(&m_WriteCond, NULL);
}

template <class T>
tsqueue<T>::~tsqueue() {
    delete[] m_Data;
    pthread_mutex_destroy(&m_ReadMutex);
    pthread_mutex_destroy(&m_WriteMutex);
    pthread_cond_destroy(&m_ReadCond);
    pthread_cond_destroy(&m_WriteCond);
}


template <class T>
void tsqueue<T>::push(const T &elem) {
    int next = (m_WriteIndex + 1) % m_Size;
    if(next == m_ReadIndex) {
        pthread_mutex_lock(&m_WriteMutex);
        pthread_cond_wait(&m_WriteCond, &m_WriteMutex);
        pthread_mutex_unlock(&m_WriteMutex);
    }
    m_Data[m_WriteIndex] = elem;
    m_WriteIndex = next;
    pthread_cond_signal(&m_ReadCond);
}

template <class T>
T tsqueue<T>::pop() {
    if(m_ReadIndex == m_WriteIndex) {
        pthread_mutex_lock(&m_ReadMutex);
        pthread_cond_wait(&m_ReadCond, &m_ReadMutex);
        pthread_mutex_unlock(&m_ReadMutex);
        if(m_Done && m_ReadIndex == m_WriteIndex) throw "queue empty and terminated";
    }
    int next = (m_ReadIndex +1) % m_Size;
    T elem = m_Data[m_ReadIndex];
    m_ReadIndex = next;
    pthread_cond_signal(&m_WriteCond);
    return elem;
}

template <class T>
void tsqueue<T>::terminate() {
    m_Done = true;
    pthread_cond_signal(&m_ReadCond);
}

template <class T>
bool tsqueue<T>::isDone() const {
    return (m_Done && m_ReadIndex == m_WriteIndex);
}

这可以这样使用：

// thread 1
while(cin.get(c)) {
    queue1.push(c);
}
queue1.terminate();


// thread 2
while(!queue1.isDone()) {
    try{ c = queue1.pop(); }
    catch(char const* str){break;}
    cout.put(c);
}

如果有人发现这个问题，请说出来:)

Answer 1

是的，这里肯定存在问题。 您对队列成员变量的所有访问都发生在互斥锁之外 。 事实上，我并不完全确定你的互斥锁正在保护什么，因为它们只是在条件变量上等待。

此外，您的读者和编写器似乎总是以锁定步骤运行，从不允许队列超出一个元素的大小。

Answer 2

如果这是你的实际代码，那么一个问题就是你要初始化m_WriteCond两次，而不是初始化m_ReadCond 。

Answer 3

您应该将此类视为监视器 。 您应该为每个队列（一个普通的互斥锁）都有一个“监视器锁定”。 无论何时输入读取或写入队列中任何字段的方法，都应在输入后立即锁定此互斥锁。 这可以防止多个线程一次与队列交互。 您应该在等待某个条件之前以及当您离开某个方法时释放锁定，以便其他线程可以进入。 完成等待条件后，请务必重新获取锁定。

Answer 4

如果你想要任何性能不错的东西，我强烈建议你转储你的R / W锁，只需使用一个非常简单的螺旋锁。 或者，如果你真的认为你可以通过R / W锁定获得你想要的性能，我会根据Joe Duffy的这个设计（单字R / W Spinlock）推出自己的性能。

Answer 5

似乎问题是你有一个竞争条件，线程2 CAN在线程1执行任何cin.get（c）之前运行。 需要确保数据已初始化，并且当您获得信息时，如果尚未输入数据，则确保您正在执行某些操作。

也许这是我没有看到代码的其余部分，尽管如此。