线程安全堆栈 C++ 中的潜在死锁答案

【问题标题】：Potential deadlock in thread-safe stack C++线程安全堆栈 C++ 中的潜在死锁
【发布时间】：2020-05-04 07:59:22
【问题描述】：

在“Concurrency in Action”一书中，有一个线程安全堆栈的实现，在进入 pop() 和 empty() 函数时获取/锁定互斥锁，如下所示：

class threadsafe_stack {
   private:
      std::stack<T> data;
      mutable std::mutex m;
   public:
      //...
      void pop(T& value) {
         std::lock_guard<std::mutex> lock(m);
         if(data.empty()) throw empty_stack();
         value = std::move(data.top());
         data.pop();
      }

      bool empty() const {
         std::lock_guard<std::mutex> lock(m);
         return data.empty();
      }
};

我的问题是，当一个在进入 pop() 时获得锁的线程正在调用也受互斥锁保护的 empty() 时，这段代码如何不会陷入死锁？如果 lock() 由已经拥有互斥锁的线程调用，那不是未定义的行为吗？

【问题讨论】：

标签： c++ multithreading concurrency

【解决方案1】：

当一个在进入 pop() 时获得锁的线程正在调用也受互斥锁保护的 empty() 时，这段代码如何不会陷入死锁？

因为你没有调用threadsafe_stack 的成员函数empty，而是调用了std::stack<T> 类的empty()。如果代码是：

void pop(T& value) 
{
    std::lock_guard<std::mutex> lock(m);
    if(empty()) // instead of data.empty()
        throw empty_stack();
    value = std::move(data.top());
    data.pop();
}

那么，就是undefined behavior:

如果锁由已经拥有互斥锁的线程调用，则行为未定义：例如，程序可能死锁。鼓励可以检测到无效使用的实现抛出带有错误条件 resource_deadlock_would_occur 的 std::system_error 而不是死锁。

了解recursive 和shared 互斥锁。

【讨论】：

【解决方案2】：

不是 100% 确定你的意思，我猜你的意思是在同一个线程中依次调用 pop 和 empty？就像在

while(!x.empty()) x.pop();

std::lock_guard 跟随 RAII。这意味着构造函数

std::lock_guard<std::mutex> lock(m);

将获取/锁定互斥体，而析构函数（当lock 超出范围时）将再次释放/解锁互斥体。所以它会在下一次函数调用时解锁。

在pop 内部只调用了data.empty()，它不受互斥体的保护。在pop 内调用this->empty() 确实会导致未定义的行为。

【讨论】：

【解决方案3】：

如果pop 会调用this->empty，那你是正确的。通过std::lock_guard 两次锁定同一个互斥锁是未定义的行为，除非锁定的互斥锁是递归的。

来自构造函数上的cppreference（示例代码中使用的那个）：

有效地调用 m.lock()。如果 m 不是递归互斥体并且当前线程已经拥有 m，则行为未定义。

为了完整起见，还有第二个构造函数：

lock_guard( mutex_type& m, std::adopt_lock_t t );

哪个

获取互斥体 m 的所有权而不尝试锁定它。如果当前线程不拥有 m，则行为未定义。

但是，pop 调用data.empty，这是私有成员的方法，而不是threadsafe_stack 的成员函数empty。代码没有问题。

【讨论】：