并发队列中的竞争条件答案

【问题标题】：Race condition in a concurrent queue并发队列中的竞争条件
【发布时间】：2013-01-13 17:29:49
【问题描述】：

我目前正在尝试编写一个并发队列，但我有一些我无法向自己解释的段错误。我的队列实现基本上由本网站的第一个列表给出。

http://www.justsoftwaresolutions.co.uk/threading/implementing-a-thread-safe-queue-using-condition-variables.html

该网站说如果从队列中并行删除对象，则会出现竞争条件，但我只是不明白为什么会有一个，谁能向我解释一下？

编辑：这是代码：

template<typename Data>
class concurrent_queue
{
private:
    std::queue<Data> the_queue;
    mutable boost::mutex the_mutex;
public:
    void push(const Data& data)
    {
        boost::mutex::scoped_lock lock(the_mutex);
        the_queue.push(data);
    }

    bool empty() const
    {
        boost::mutex::scoped_lock lock(the_mutex);
        return the_queue.empty();
    }

    Data& front()
    {
        boost::mutex::scoped_lock lock(the_mutex);
        return the_queue.front();
    }

    Data const& front() const
    {
        boost::mutex::scoped_lock lock(the_mutex);
        return the_queue.front();
    }

    void pop()
    {
        boost::mutex::scoped_lock lock(the_mutex);
        the_queue.pop();
    }
};

【问题讨论】：

那里有不止一个代码sn-ps，他们说哪个有比赛？
...细节在这里非常重要。请发布您正在使用的实际代码。
他的意思是实现阻塞并发队列。如果队列在他们尝试从中弹出项目时为空怎么办？

标签： c++ concurrency queue race-condition

【解决方案1】：

如果在您尝试从中读取项目时队列为空怎么办？

想想这个用户代码：

while(!q.empty())  //here you check q is not empty
{ 
       //since q is not empty, you enter inside the loop
       //BUT before executing the next statement in this loop body,
       //the OS transfers the control to the other thread
       //which removes items from q, making it empty!!
       //then this thread executes the following statement!
       auto item = q.front(); //what would it do (given q is empty?)
}

【讨论】：

好吧，我更喜欢阻塞队列，但我会选择一个不支持的队列...我只想从主线程中放置一些作业，然后使用检索和处理它们几个工作线程
我认为您的解释没有反映提问者提交的代码。还是你想告诉我the_mutex的作用域不包括函数调用？
@HassanTM：它确实解释了代码。阅读文章。该链接在问题本身中提供。我说的是作者试图在他的文章中解释的内容。

【解决方案2】：

如果你使用empty并且发现队列不为空，可能是另一个线程在你使用结果之前已经弹出了该项目使其为空。

同样的front，你可以读到最前面的item，在你使用这个item的时候，它可能会被另一个线程弹出。

【讨论】：

这是一个经典错误，需要将接口更改为队列。您可以返回空值或引发异常。或者，您可以阻塞直到某个值可用，但在这种情况下，除了互斥锁之外，您还需要一个条件变量，除非您想轮询。
我认为您的解释没有反映提问者提交的代码。还是你想告诉我the_mutex的作用域不包括函数调用？
它只包括函数调用，但它必须包括对empty()和front()的调用，它没有。
@HassanTM - 单个调用受到保护，但在调用 empty() 或 front() 并使用结果之间，队列可能会改变（参见 Nawar 的回答）。

【解决方案3】：

@parkydr 和 @Nawaz 的答案是正确的，但这里有另一个值得深思的地方；

你想达到什么目的？

拥有线程安全队列的原因有时（我不敢说经常）是错误的。在许多情况下，您希望在队列只是实现细节的上下文中锁定“外部”队列。

然而，线程安全队列的一个原因是 consumer-producer 情况，其中 1-N 个节点推送数据，而 1-M em> 节点无论得到什么，都会从中弹出。队列中的所有元素都被平等对待，消费者只是弹出而不知道他们得到了什么，然后开始处理数据。在这种情况下，您的界面不应公开T& front()。好吧，如果你不确定那里有一个项目，你永远不应该返回一个引用（在并行情况下，如果没有外部锁，你永远无法确定）。

我建议使用unique_ptr（当然也可以是shared_ptr）并且只公开无竞争函数（为简洁起见，我省略了 const 函数）。使用 std::unique_ptr 将需要 C++11，但如果您无法使用 C++11，您可以使用 boost::shared_ptr 获得相同的功能：

// Returns the first item, or an empty unique_ptr
std::unique_ptr< T > pop( );

// Returns the first item if it exists. Otherwise, waits at most <timeout> for
// a value to be be pushed. Returns an empty unique_ptr if timeout was reached.
std::unique_ptr< T > pop( {implementation-specific-type} timeout );

void push( std::unique_ptr< T >&& ptr );

诸如exist() 和front() 之类的功能自然是竞争条件的受害者，因为它们无法自动执行您（认为您）想要的任务。 exist() 有时会在您收到结果时返回一个不正确的值，如果队列为空，front() 将不得不抛出。

【讨论】：

【解决方案4】：

我认为为什么empty() 函数无用/危险的答案很清楚。如果您想要一个阻塞队列，请将其删除。

相反，添加一个条件变量（boost::condition，IIRC）。 push/pop 的函数如下所示：

void push(T data)
{
    scoped_lock lock(mutex);
    queue.push(data);
    condition_var.notify_one();
}

data pop()
{
    scoped_lock lock(mutex);
    while(queue.empty())
        condition_var.wait(lock);
    return queue.pop();
}

请注意，这是伪代码，但我相信您可以弄清楚这一点。也就是说，使用 unique_ptr（或 C98 的 auto_ptr）来避免复制实际数据的建议是个好主意，但这是一个完全独立的问题。

【讨论】：