在这个生产者-消费者实现中是否存在竞争条件？答案

【问题标题】：Are there race conditions in this producer-consumer implementation?在这个生产者-消费者实现中是否存在竞争条件？
【发布时间】：2016-01-15 06:11:59
【问题描述】：

在操作系统概念（Silberschatz，第 9 版）的第 3.4.1 节中，作者提出了生产者-消费者问题并给出了以下使用循环缓冲区的实现（第 125、126 页）。

//Shared variables

#define BUFFER SIZE 10
struct Item;
Item buffer[BUFFER SIZE];
int in = 0, out = 0;

//buffer is empty when  in == out
//buffer is full when   (in + 1) % BUFFER SIZE == out

//Producer
while (true)
{
    Item next_produced = /*produce item here*/;

    while (((in + 1) % BUFFER SIZE) == out) ; //do nothing

    buffer[in] = next_produced;
    in = (in + 1) % BUFFER SIZE;
}

//Consumer
while (true)
{   
    while (in == out) ;  //do nothing

    Item next_consumed = buffer[out];
    out = (out + 1) % BUFFER SIZE;

    //consume the item in next_consumed here
}

书上说：

此插图未解决的一个问题涉及生产者进程和消费者进程都试图同时访问共享缓冲区。

我看不到生产者和消费者会同时访问相同缓冲区元素的情况。

我的问题是：如果生产者和消费者在两个线程中运行，那么这个实现中是否存在竞争条件或其他同步问题？

【问题讨论】：

标签： c multithreading producer-consumer

【解决方案1】：

有很多可能性

最明显的：如果有 2 个生产者生产数据。假设缓冲区中只有 1 个可用空间，两个生产者线程都可以通过 while (in + 1) % BUFFER SIZE) == out 并尝试放入缓冲区。这可能会导致缓冲区损坏或数据丢失
即使只有 1 个消费者和 1 个生产者，仍然存在一些不太明显的问题。例如，编译器可能会重新排列行
```
buffer[in] = next_produced;
in = (in + 1) % BUFFER SIZE;
```
使in的更新早于buffer的更新，导致消费者访问未初始化的数据。

【讨论】：

请详细说明#2 compiler may rearrange the lines。简单地交换行显然会产生不同的行为，所以我猜你的意思是“编译器可能会将其重新排列为{ int temp = in; in = (in + 1) % BUFFER SIZE; buffer[temp] = next_produced; }”。但是，如果in 是越界索引（这可能导致例如引发异常），则此类重写将具有不同的 UB。在原始代码中，UB 处的in 将是无效的，在重写中它将是有效的。 C标准真的允许这样的重写吗？
相当多的语言允许编译器为了优化而重新排序指令。只是谷歌的“c++ 编译器重新排序指令优化”会给你很多信息。
@dxiv 另外看看en.wikipedia.org/wiki/Memory_ordering和en.wikipedia.org/wiki/Consistency_model
阿德里安，我认为这种重组不可能发生。编译器只允许重新排列不会改变单线程系统中的行为。如果你交换两行，你最终会在单线程系统上得到不同的行为。
我不是语言律师所以我把这个作为一个单独的问题问here。

【解决方案2】：

无法保证在修改in 或out 之前会看到对buffer[x] 的写入

所以假设只有一个读取器和一个写入器，那么 in、out 变量分别在一个线程中进行修改。

buffer[in] = next_produced;
in = (in + 1) % BUFFER SIZE;

可能会在阅读器中看到排序错误，导致阅读器看到 in 移动了，但是 buffer[in] 的旧值

Item next_consumed = buffer[out];
out = (out + 1) % BUFFER SIZE;

可能由编译器或处理器错误排序，允许生产者写入完整队列，在next_consumed 读取值之前覆盖buffer[out] 的值。

【讨论】：