通过订购 std::mutex 避免死锁

Question

这里是否有可移植的避免死锁逻辑的实现（参见标记为“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

这些假设是（我相信足够了——有人吗？）intptr_t 存在并且intptr_t 上的关系运算符暗示了对它们所代表的指针值的完全严格排序。

假设的排序并不能保证，并且可能不如指针排序的不可移植性那么可移植（例如，如果 intptr_t 比指针宽，并且并非所有位都被写入）。

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

Answer 1

tl;dr - 您可以在 C++20 中进行原始指针比较。我可能会将该代码包装成 scoped_ordered_lock 或其他东西，因为代码仍然有点毛茸茸。

---

假设是（我相信足够了——任何人？）intptr_t 存在，并且 intptr_t 上的关系运算符在持有从有效非空指针转换为 std::mutex 的值时对值进行完全严格排序。

不准确。你确实总是对整数值有一个完全严格的顺序。当从intptr_t 到指针的映射是多对一时，就会出现问题（分段地址示例here 就是这种情况——即intptr_t 上的TSO 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，指针的完全严格排序可以存在：它只是特定于实现的。分段地址可以归一化或展平等。

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

在关于 spaceship operator 的文本中没有关于 implementation-defined strict total order over pointers 的等效语言 - 尽管 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 路关系运算符明确描述为指针上的partial order。

因此，这应该与您的原始代码相同，除了可移植性：

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();
}

注意

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

  对于模板less、greater、less_­equal 和greater_­equal，任何指针类型的特化都会产生与实现定义的指针上的严格总顺序一致的结果

  这是一个较弱的要求，允许他们提供部分订单，只要它永远不会与总订单不一致。不清楚这是故意削弱，还是只是说他们必须执行其他地方定义的相同总顺序。

• 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，您的 less 等。保证提供您需要的全部订购。只是不要依赖原始的关系运算符。

Answer 2

std::lock() 有一个内置的死锁避免算法。

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

Answer 3

一旦你开始出现锁争用，你就失去了这种方法，需要重新考虑整个解决方案。而且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。

通常大多数账户要么有很多流入（商店、安排），要么有很多流出（养老金、救济金等）

一旦您确定了竞争帐户，您可以将大量事务排队，然后锁定满足的帐户并通过 try_lock 另一个帐户运行事务，如果锁定成功，则事务完成。尝试 try_lock 几次，然后使用两个锁执行 scope_lock，其余的会获取这两个锁的所有事务。

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。

您向帐户添加一个唯一 ID，然后进行比较！

Answer 4

这是显示修改后代码的自我回答。功劳归功于上面接受的答案。 我的学习是因为 C++14 std::less、std::greater 等在指针上定义了一个 Strict Total，它与 < 和 > 等已经定义的部分顺序一致。

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，使用 std::compare_three_way<> 可以使其更简洁，甚至更快。

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;
}