通过订购 std::mutex 避免死锁

Question

此处是否有死锁避免逻辑的可移植实现（请参阅标记为“不可移植”的部分）：

#include <cstdint>
#include <iostream>
#include <mutex>
#include <thread>

typedef long Money; //In minor unit.

class Account {
public:
    bool transfer(Account& to,const Money amount);
    Money get_balance() const;
    Account(const Money deposit=0) : balance{deposit} {}
private:
    mutable std::mutex lock;
    Money balance;
};

bool Account::transfer(Account& to,const Money amount){
    std::unique_lock<decltype(this->lock)> flock{this->lock,std::defer_lock};
    std::unique_lock<decltype(to.lock)> tlock{to.lock,std::defer_lock};
//NON-PORTABLE:BEGIN: using intptr_t AND assuming Total Strict Order.
    const auto fi{reinterpret_cast<const std::intptr_t>(static_cast<const void*>(&this->lock))};
    const auto ti{reinterpret_cast<const std::intptr_t>(static_cast<const void*>(&to.lock))};
    if(fi<ti){
        flock.lock();
        tlock.lock();
    } else if (fi!=ti) {
        tlock.lock();
        flock.lock();
    } else {
        flock.lock();
    }
//NON-PORTABLE:END  
    this->balance-=amount;
    to.balance+=amount;
    return true;
}

Money Account::get_balance() const{
    const std::lock_guard<decltype(this->lock)> guard{this->lock};
    return this->balance;
}

void hammer_transfer(Account& from,Account& to,const Money amount, const int tries){
    for(int i{1};i<=tries;++i){
        from.transfer(to,amount);
    }
}

int main() {
    constexpr Money open_a{ 200000L};
    constexpr Money open_b{ 100000L};
    constexpr Money tran_ab{10};
    constexpr Money tran_ba{3};
    constexpr Money tran_aa{7};

    Account A{open_a};
    Account B{open_b};
    
    std::cout << "A Open:" << A.get_balance() << '\n';
    std::cout << "B Open:" << B.get_balance() << '\n';
    
    constexpr long tries{20000}; 
    std::thread TAB{hammer_transfer,std::ref(A),std::ref(B),tran_ab,tries};
    std::thread TBA{hammer_transfer,std::ref(B),std::ref(A),tran_ba,tries};
    std::thread TAA{hammer_transfer,std::ref(A),std::ref(A),tran_aa,tries};

    TAB.join();
    TBA.join();
    TAA.join();

    const auto close_a{A.get_balance()};
    const auto close_b{B.get_balance()};   
    
    std::cout << "A Close:" << close_a<< '\n';
    std::cout << "B Close:" << close_b<< '\n';
    
    int errors{0};
    if((close_a+close_b)!=(open_a+open_b)){
        std::cout << "ERROR: Money Leaked!\n";
        ++errors;
    }
    if(close_a!=(open_a+tries*(tran_ba-tran_ab)) ||
          close_b!=(open_b+tries*(tran_ab-tran_ba))
    ){
        std::cout << "ERROR: 'Lost' Transaction(s)\n";
        ++errors;
    }
    if(errors==0){
        std::cout << "* SUCCESS *\n";
    }else{
        std::cout << "** FAILED **\n";
    }
    std::cout << std::endl;
    return 0;
}

可在此处运行： https : //ideone.com/hAUfhM

假设是（我相信足够的-任何人），其intptr_t是否存在，以及对关系运算符intptr_t意味着对指针值，他们代表了总计严格的顺序。

假设的排序不能保证，并且可能不如指针排序的不可移植性（例如，如果intptr_t比指针宽并且不是所有位都被写入）。

我知道这个设计和其他设计有一些不同的即兴演奏。 我会赞成所有好的答案，即使不是可移植的，也可以确定他们对实现的假设，理想情况下是一个他们适用的平台，最好是他们不适用的平台！

Answer 1

std::lock() 有一个内置的死锁避免算法。

https://en.cppreference.com/w/cpp/thread/lock

Answer 2

一旦您开始出现锁争用，您就无法使用此方法，需要重新考虑整个解决方案。 几乎所有的锁都会导致上下文切换，每个会花费大约 20000 个周期。

通常，大多数帐户要么有很多收款（商店、安排）要么有很多收款（养老金、救济金等）。

一旦确定了竞争账户，您就可以将大量交易排队，然后锁定满足的账户并通过 try_lock 其他账户运行交易，如果锁定成功，则交易完成。 尝试尝试几次 try_lock 然后使用两个锁执行 scope_lock 以获取剩余的所有事务对于这两个锁。

第 2 部分。我如何确保我的锁的安全排序，因为比较不在同一区域的指针是 UB。

您向帐户添加唯一 ID 并进行比较！

Answer 3

tl;dr - 您可以在 C++20 中进行可移植的原始指针比较。 我可能会将该代码包装到scoped_ordered_lock或其他东西中，因为代码仍然有点scoped_ordered_lock 。

---

假设是（我相信足够了 - 任何人？）intptr_t 存在并且 intptr_t 上的关系运算符在保存从有效非空指针转换为 std::mutex 的值时暗示对值进行全面严格排序。

不准确。 你总是对积分值总计严格的顺序。 当从映射问题出现了intptr_t到指针是多对（在此是针对分段的地址实例的情况下这里-即TSO上intptr_t是不够的）。

指向intptr_t映射的指针也必须是单射的（它不必是双射，因为我们不关心某些intptr_t值是否未使用/不代表有效指针）。

无论如何，很明显可以存在对指针的完全严格的排序：它只是特定于实现的。 分段地址可以标准化或扁平化等。

幸运的是，提供了一个合适的实现定义的完全严格排序：通过 C++20 中的 3 路函子std::compare_three_way ，以及 C++20 之前的 2 路函子less 、 greater等（也许也在 C++20 中）。

在关于宇宙飞船运算符的文本中，没有关于实现定义的严格全序指针的等效语言 - 即使compare_three_way被描述为调用它 - 或关于其他关系运算符。

这似乎是故意的，因此内置运算符< 、 > 、 、 <= 、 >=和<=>不会获得在某些平台上可能很昂贵的新约束。 实际上，2 路关系运算符被明确描述为指针的偏序。

因此，除了可移植之外，这应该与您的原始代码相同：

const auto order = std::compare_three_way{}(&this->lock, &to.lock);
if(order == std::strong_ordering::less){
    flock.lock();
    tlock.lock();
} else if (order == std::strong_ordering::greater) {
    tlock.lock();
    flock.lock();
} else {
    flock.lock();
}

笔记

• 从 C++20 （特别是 PDF： P1961R0 ）开始，[ comparisons.general ] 说

  对于模板less 、 greater 、 less_equal和greater_equal ，任何指针类型的特化产生的结果与实现定义的严格指针全序一致

  这是一个较弱的要求，允许他们提供偏序，只要它从不与总序不一致。 这是否是故意削弱并不明显，或者只是想说他们必须实施其他地方定义的相同总秩序。

• 在 C++20 之前， less等确实需要这些函子的总顺序。

在任何情况下，如果您无法访问 C++20 和compare_three_way ，则保证您的less等提供您需要的总排序。 只是不要依赖原始关系运算符。

Answer 4

这是一个自我回答以显示修改后的代码。 功劳是由于上面接受的答案。 对我来说，学习是因为 C++14 std::less 、 std::greater等定义了一个 Strict Total 指针，它与<和>等已经定义的偏序一致。

通过使用这些模板，现在可以保证这段代码没有死锁。 在 C++20 中，它可以通过std::compare_three_way<>变得更整洁，可能更快。

https://ideone.com/ekuf2f

#include <functional>    
#include <iostream>
#include <mutex>
#include <thread>

typedef long Money; //In minor unit.

class Account {
public:
    bool transfer(Account& to,const Money amount);
    Money get_balance() const;
    Account(const Money deposit=0) : balance{deposit} {}
private:
    mutable std::mutex lock;
    Money balance;
};

namespace{
    std::less<void*> less{};
    std::equal_to<void*> equal_to{};
}

bool Account::transfer(Account& to,const Money amount){
    std::unique_lock<decltype(this->lock)> flock{this->lock,std::defer_lock};
    std::unique_lock<decltype(to.lock)> tlock{to.lock,std::defer_lock};
    if(less(&this->lock,&to.lock)){
        flock.lock();
        tlock.lock();
    } else if(equal_to(&this->lock,&to.lock)) {
        flock.lock();
    } else {
        tlock.lock();
        flock.lock();
    }
    this->balance-=amount;
    to.balance+=amount;
    return true;
}

Money Account::get_balance() const{
    const std::lock_guard<decltype(this->lock)> guard{this->lock};
    return this->balance;
}

void hammer_transfer(Account& from,Account& to,const Money amount, const int tries){
    for(int i{1};i<=tries;++i){
        from.transfer(to,amount);
    }
}

int main() {
    constexpr Money open_a{ 200000L};
     constexpr Money open_b{ 100000L};
    constexpr Money tran_ab{10};
    constexpr Money tran_ba{3};
    constexpr Money tran_aa{7};

    Account A{open_a};
    Account B{open_b};
    
    std::cout << "A Open:" << A.get_balance() << '\n';
    std::cout << "B Open:" << B.get_balance() << '\n';
    
    constexpr long tries{20000}; 
    std::thread TAB{hammer_transfer,std::ref(A),std::ref(B),tran_ab,tries};
    std::thread TBA{hammer_transfer,std::ref(B),std::ref(A),tran_ba,tries};
    std::thread TAA{hammer_transfer,std::ref(A),std::ref(A),tran_aa,tries};

    TAB.join();
    TBA.join();
    TAA.join();

    const auto close_a{A.get_balance()};
    const auto close_b{B.get_balance()};   
    
    std::cout << "A Close:" << close_a<< '\n';
    std::cout << "B Close:" << close_b<< '\n';
    
    int errors{0};
    if((close_a+close_b)!=(open_a+open_b)){
        std::cout << "ERROR: Money Leaked!\n";
        ++errors;
    }
    if(close_a!=(open_a+tries*(tran_ba-tran_ab)) ||
          close_b!=(open_b+tries*(tran_ab-tran_ba))
    ){
        std::cout << "ERROR: 'Lost' Transaction(s)\n";
        ++errors;
    }
    if(errors==0){
        std::cout << "* SUCCESS *\n";
    }else{
        std::cout << "** FAILED **\n";
    }
    std::cout << std::endl;
    return 0;
}