条件变量的实现

Question

为了理解pthread条件变量的代码，我写了自己的版本。它看起来正确吗？我在一个程序中使用它，它的工作，但工作速度惊人的快。最初程序大约需要 2.5 秒，而使用我的条件变量版本只需要 0.8 秒，并且程序的输出也是正确的。但是，我不确定我的实现是否正确。

struct cond_node_t
{
    sem_t s;
    cond_node_t * next;
};

struct cond_t
{
    cond_node_t * q;                // Linked List
    pthread_mutex_t qm;                 // Lock for the Linked List
};

int my_pthread_cond_init( cond_t * cond )
{
    cond->q = NULL;
    pthread_mutex_init( &(cond->qm), NULL );
}

int my_pthread_cond_wait( cond_t* cond, pthread_mutex_t* mutex )
{
    cond_node_t * self;

    pthread_mutex_lock(&(cond->qm));
    self = (cond_node_t*)calloc( 1, sizeof(cond_node_t) );
    self->next = cond->q;
    cond->q = self;
    sem_init( &self->s, 0, 0 );
    pthread_mutex_unlock(&(cond->qm));

    pthread_mutex_unlock(mutex);
    sem_wait( &self->s );
    free( self ); // Free the node
    pthread_mutex_lock(mutex);
}

int my_pthread_cond_signal( cond_t * cond )
{
    pthread_mutex_lock(&(cond->qm));
    if (cond->q != NULL) 
    {
        sem_post(&(cond->q->s));
        cond->q = cond->q->next;
    }
    pthread_mutex_unlock(&(cond->qm));
}

int my_pthread_cond_broadcast( cond_t * cond )
{
    pthread_mutex_lock(&(cond->qm));
    while ( cond->q != NULL) 
    {
        sem_post( &(cond->q->s) );
        cond->q = cond->q->next;
    }
    pthread_mutex_unlock(&(cond->qm));
}

Answer 1

基本上你的策略看起来不错，但你有一个主要危险、一些未定义的行为和一个挑剔的选择：

• 您没有检查 POSIX 函数的返回值。特别是sem_wait 是可中断的，因此在重负载或运气不好的情况下，您的线程将被虚假唤醒。你必须仔细捕捉所有这些
• 您的所有函数都没有返回值。如果某天函数的某些用户决定使用返回值，这是未定义的行为。仔细分析条件函数允许返回的错误代码并执行此操作。
• 不要返回malloc或calloc

编辑：实际上，您根本不需要malloc/free。局部变量也可以。

Answer 2

你似乎不尊重这个要求：

这些函数以原子方式释放互斥体并导致调用线程阻塞条件变量 cond； atomically 这里的意思是 “原子地相对于另一个线程访问互斥锁，然后访问条件变量”。也就是说，如果另一个线程能够获取互斥锁 在即将阻塞的线程释放它之后，随后调用该线程中的 pthread_cond_broadcast() 或 pthread_cond_signal() 表现得好像它是在即将阻塞的线程被阻塞后发出的一样。

您解锁然后等待。另一个线程可以在这些操作之间做很多事情。

附：我不确定自己是否正确解释了这一段，请随时指出我的错误。

Answer 3

除了缺少返回值检查之外，还有一些应该修复的问题：

• sem_destroy 未被调用。
• 信号/广播在唤醒目标线程后触摸cond_node_t，可能导致use-after-free。

更多内容：

• 省略的销毁操作可能需要更改其他操作，因此当 POSIX 说它应该是安全的时，销毁条件变量是安全的。不支持销毁或对何时调用它施加更严格的限制会简化事情。
• 生产实现将处理线程取消。
• 退出等待（例如线程取消和pthread_cond_timedwait 超时需要）可能会导致并发症。
• 您的实现在用户空间中对线程进行排队，出于性能原因，在某些生产实现中会这样做；我不明白为什么。
• 您的实现始终按 LIFO 顺序排列线程。这通常更快（例如由于缓存效应），但可能导致饥饿。生产实施有时可能会使用 FIFO 顺序以避免饥饿。