工作线程在执行太快后永久休眠

Question

我正在尝试将线程合并到我的项目中，但有一个问题，即仅使用 1 个工作线程使其永久“入睡”。也许我有一个竞争条件，但只是没有注意到它。

我的PeriodicThreads 对象维护着一个线程集合。一旦PeriodicThreads::exec_threads() 被调用，线程就会被通知，被唤醒并执行它们的任务。之后，他们又睡着了。

这样一个工作线程的功能：

void PeriodicThreads::threadWork(size_t threadId){
    //not really used, but need to decalre to use conditional_variable:
    std::mutex mutex;
    std::unique_lock<std::mutex> lck(mutex);

    while (true){
        // wait until told to start working on a task:
        while (_thread_shouldWork[threadId] == false){
            _threads_startSignal.wait(lck);
        }

        thread_iteration(threadId);    //virtual function

        _thread_shouldWork[threadId] = false;   //vector of flags
        _thread_doneSignal.notify_all();

    }//end while(true) - run until terminated externally or this whole obj is deleted 
}

如您所见，每个线程都在监视标志向量中的自己的条目，一旦它看到它的标志为真 - 执行任务然后重置其标志。

这里是可以唤醒所有线程的函数：

std::atomic_bool _threadsWorking =false;

//blocks the current thread until all worker threads have completed:
void PeriodicThreads::exec_threads(){
    if(_threadsWorking ){ 
        throw std::runtime_error("you requested exec_threads(), but threads haven't yet finished executing the previous task!");
    }

    _threadsWorking = true;//NOTICE: doing this after the exception check.

    //tell all threads to unpause by setting their flags to 'true'
    std::fill(_thread_shouldWork.begin(),  _thread_shouldWork.end(),  true);
    _threads_startSignal.notify_all();

    //wait for threads to complete:

    std::mutex mutex;
    std::unique_lock<std::mutex> lck(mutex); //lock & mutex are not really used.

    auto isContinueWaiting = [&]()->bool{
        bool threadsWorking = false; 
        for (size_t i=0;  i<_thread_shouldWork.size();  ++i){
            threadsWorking |= _thread_shouldWork[i];
        }
        return threadsWorking;
    };

    while (isContinueWaiting()){
        _thread_doneSignal.wait(lck);
    }

    _threadsWorking = false;//set atomic to false 
}

调用exec_threads() 可以正常进行数百次或在极少数情况下数千次连续迭代。调用发生在主线程的while 循环中。它的工作线程处理任务，重置其标志并返回休眠状态，直到下一个exec_threads()，依此类推。

但是，在那之后的一段时间，程序突然进入“休眠”状态，并且似乎暂停了，但没有崩溃。

在这种“休眠”期间，在我的 condition_variables 的任何 while-loop 处设置断点实际上不会触发该断点。

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偷偷摸摸，我创建了自己的验证线程（与main 平行）并监控我的PeriodicThreads 对象。当它进入休眠状态时，我的验证线程不断向控制台输出当前没有线程正在运行的消息（PeriodicThreads 的 _threadsWorking atomic 永久设置为 false）。但是，在其他测试期间，一旦“休眠问题”开始，原子仍为 true。

奇怪的是，如果我强制PeriodicThreads::run_thread 在重置其标志之前至少休眠 10 微秒，一切都会正常工作，并且不会发生“休眠”。否则，如果我们允许线程非常快地完成它的任务，它可能会导致整个问题。

我已将每个 condition_variable 包装在一个 while 循环中，以防止虚假唤醒触发转换，以及在调用 .wait() 之前调用 notify_all 的情况。 Link

注意，即使我只有 1 个工作线程也会发生这种情况

可能是什么原因？

编辑

放弃这些向量标志并仅在具有 1 个工作线程的单个 atomic_bool 上进行测试仍然会出现同样的问题。

Answer 1

所有共享数据都应受互斥体保护。互斥体应该（至少）与共享数据具有相同的范围。

您的_thread_shouldWork 容器是共享数据。您可以创建一个全局互斥体数组，每个互斥体都可以保护自己的_thread_shouldWork 元素。 （见下面的注释）。您还应该至少拥有与拥有互斥锁一样多的条件变量。 （您可以将 1 个互斥锁与多个不同的条件变量一起使用，但您不应将多个不同的互斥锁与 1 个条件变量一起使用。）

condition_variable 应该保护 实际 条件（在这种情况下，_thread_shouldWork 的单个元素在任何给定点的状态）并且互斥锁用于保护包含那个条件。

如果您只是使用随机的本地互斥锁（就像您在线程代码中一样）或根本不使用互斥锁（在主代码中），那么所有的赌注都没有了。这是未定义的行为。虽然我可以看到它大部分时间都在工作（幸运）。我怀疑正在发生的是工作线程缺少来自主线程的信号。也可能是您的主线程缺少来自工作线程的信号。 （线程A读取状态并进入while循环，然后线程B改变状态并发送通知，然后线程A进入睡眠...等待已经发送的通知）

具有本地范围的互斥体是一个危险信号！

注意：如果您使用的是矢量，则必须小心，因为添加或删除项目可能会触发调整大小，这将在不先抓取互斥锁的情况下触及元素（因为当然矢量不知道您的互斥锁） .

使用数组时也要注意虚假共享

编辑：这是@Kari 发现对解释虚假分享有用的视频 https://www.youtube.com/watch?v=dznxqe1Uk3E