我是否有风险在 C++ 中使用 std::condition_variable 使线程陷入死锁？

Question

这是一个更理论的问题。 我已经看到了几个带有std::condition_variable的例子，它似乎让线程进入睡眠状态，直到满足条件。 这是种族上的某种旗帜，是有道理的。

但似乎如果一个变量总是改变，那么一个线程可能会被唤醒以检查条件并再次入睡，因为当谓词为真时它没有跟上捕捉情况，所以我可能会将线程置于“昏迷”状态.

那么，当我总是在这种情况下使用它时， std::condition_variable是否不安全？

Answer 1

这就是为什么在使用条件变量时也必须使用互斥锁的原因。 我认为您错过了线程开始等待并同时锁定互斥锁的事实。 更改条件的线程也必须在更改条件时锁定互斥锁。

线程 1：

Lock mutex
Check condition (it's false)
Unlock mutex and start waiting (these happen at the exact same time)
Finish waiting and lock mutex
Check condition (it's true)
Unlock mutex

线程 2：

Lock mutex
Change condition
Unlock mutex
Notify condition variable

当条件已经为真时，线程 1 不可能等待。 因为当互斥锁被锁定时条件不能改变，并且互斥锁直到线程 1 已经在等待时才会解锁。

有可能在线程 2 释放互斥体之后，但在线程 2 通知它之前，线程 1 可能会虚假唤醒，看到条件为真，做一些其他的事情，然后再次开始等待。 然后线程 2 将通知条件变量，线程 1 将其视为虚假唤醒。

Answer 2

您似乎在谈论某种“活锁”。 死锁是一个或多个线程在等待释放锁时没有进展的情况。 Livelock 类似，但过程的 state 不断变化，但仍然没有进展。 我们还可以谈论“实际上是活锁的”，即线程没有足够的机会取得足够的进展。

对于观察者来说，活锁和实际活锁通常看起来很像真正的死锁。

您应该设计程序逻辑以避免活锁。 它可以是不平凡的。 例如，许多 forms 的锁并不“公平”。 也就是说，当许多线程正在等待一个被释放的锁时，首先请求它的锁并不能保证接下来会收到它。

事实上，许多操作系统锁本质上是不公平的，例如，将锁分配给更容易唤醒（例如加载到内核并挂起）而不是更难（从内核卸载并需要重新加载以恢复执行）的线程。

这个问题没有提供很多细节，因此很难诊断这种情况。 如果某些特定线程（或线程的 class）需要优先级，您可以引入一个标志，告诉低优先级线程在优先级线程正在等待（并且可以运行）时不获取锁，例如(c && !(p && priority_waiting))其中c是低优先级线程的逻辑条件， p是优先级线程的逻辑条件。

您当然应该避免线程等待潜在瞬态条件的逻辑。 假设您有一些监视器线程，每 1000 个周期产生 output。 像(cycles%1000 == 0)这样的等待条件很容易错过点击计数器。 他们应该更有可能像(cycles-lcycles >=0)一样，其中lcycles是监视器上次恢复处理时的周期数。 这确保了监视器通常会获得一个它可能（出于实际目的）几乎永远不会捕获的锁。

在该示例中，线程正在等待（a）获取锁的机会和（b）一些瞬态条件。 有一种风险是两者都很少同时发生，并且线程可能被活锁或实际上被活锁并且进展不足，

简而言之，确保线程在条件通过时恢复，而不是在条件完全满足时恢复。

你可以引入一个严格的队列来给线程轮流。 除非文档明确承诺公平，否则不要假设这是您所拥有的。

Answer 3

这就是为什么condition_variable总是与锁（ mutex ）结合使用的原因。

生产者和消费者逻辑都是在持有相同锁的情况下执行的，因此任何共享数据（例如队列、某些条件标志等）一次只能由一个线程访问。

在释放锁时通知condition_variable变量，等待线程在唤醒时获取锁。 所以实际上，锁从生产者转移到消费者线程，并且在消费者有机会看到它之前设置条件和取消设置它是不可能的，如果至少有一个其他线程已经在等待它。

换句话说， condition_variable::notify_one保证至少唤醒一个等待线程（ condition_variable::wait ），如果有的话。 当然，生产者应该在调用notify_one之前或之后释放锁，以便让等待的线程继续进行。