为什么冗余的额外范围块会影响 std::lock_guard 行为？

Question

这段代码演示了互斥锁在两个线程之间共享，但是thread_mutex 周围的范围块发生了一些奇怪的事情。

（我在another question 中有此代码的变体，但这似乎是第二个谜。）

#include <thread>
#include <mutex>
#include <iostream>

#include <unistd.h>

    int main ()
    {
        std::mutex m;

        std::thread t ([&] ()
        {
            while (true)
            {
                {
                    std::lock_guard <std::mutex> thread_lock (m);

                    usleep (10*1000); // or whatever
                }

                std::cerr << "#";
                std::cerr.flush ();
            }
        });

        while (true)
        {
            std::lock_guard <std::mutex> main_lock (m);
            std::cerr << ".";
            std::cerr.flush ();
        }
    }

这基本上可以正常工作，但 thread_lock 周围的范围块理论上应该是不必要的。但是，如果您将其注释掉...

#include <thread>
#include <mutex>
#include <iostream>

#include <unistd.h>

int main ()
{
    std::mutex m;

    std::thread t ([&] ()
    {
        while (true)
        {
//          {
                std::lock_guard <std::mutex> thread_lock (m);

                usleep (10*1000); // or whatever
//          }

            std::cerr << "#";
            std::cerr.flush ();
        }
    });

    while (true)
    {
        std::lock_guard <std::mutex> main_lock (m);
        std::cerr << ".";
        std::cerr.flush ();
    }
}

输出是这样的：

........########################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################

也就是说，thread_lock 似乎永远不会屈服于main_lock。

如果删除了冗余范围块，为什么thread_lock 总是获得锁定而main_lock 总是等待？

Answer 1

我使用 pthreads 在带有 GCC (7.3.0) 的 Linux 上测试了您的代码（删除了块作用域），并得到了与您相似的结果。主线程饿死了，但如果我等得够久，我偶尔会看到主线程做一些工作。

但是，我在 Windows 上使用 MSVC (19.15) 运行了相同的代码，并且没有线程被饿死。

看起来您使用的是 posix，所以我猜您的标准库在后端使用 pthreads？ （即使使用 C++11，我也必须链接 pthread。）pthread 互斥锁不能保证公平。但这只是故事的一半。您的输出似乎与usleep 调用有关。

如果我拿出usleep，我看到公平（Linux）：

    // fair again
    while (true)
    {
        std::lock_guard <std::mutex> thread_lock (m);
        std::cerr << "#";
        std::cerr.flush ();
    }

我的猜测是，由于在持有互斥锁的同时休眠了这么长时间，几乎可以保证主线程将尽可能地阻塞。想象一下，起初主线程可能会尝试旋转，希望互斥锁很快可用。一段时间后，它可能会被列入等候名单。

在辅助线程中，lock_guard 对象在循环结束时被销毁，因此互斥体被释放。它将唤醒主线程，但它会立即构造一个新的lock_guard 再次锁定互斥锁。主线程不太可能获取互斥锁，因为它只是被安排的。所以除非在这个小窗口中发生上下文切换，否则辅助线程可能会再次获得互斥锁。

在带有作用域块的代码中，辅助线程中的互斥锁在 IO 调用之前被释放。打印到屏幕需要很长时间，因此主线程有足够的时间来获取互斥体。

正如@Ted Lyngmo 在他的回答中所说，如果您在创建lock_guard 之前添加一个睡眠，那么饥饿的可能性就会大大降低。

    while (true)
    {
        usleep (1);
        std::lock_guard <std::mutex> thread_lock (m);
        usleep (10*1000);
        std::cerr << "#";
        std::cerr.flush ();
    }

我也尝试过使用 yield，但我需要 5+ 以使其更公平，这让我相信实际库​​实现细节、操作系统调度程序以及缓存和内存子系统效果中还有其他细微差别。

顺便说一句，感谢您提出一个很好的问题。它真的很容易测试和使用。

Answer 2

您可以在不拥有互斥锁的情况下通过让出线程（或休眠）给它重新调度的提示。下面相当长的睡眠可能会导致它输出#.#.#.#。完美。如果你切换到让步，你可能会得到############......但从长远来看大约是50/50。

#include <thread>
#include <mutex>
#include <iostream>

#include <unistd.h>

int main ()
{
    std::mutex m;

    std::thread t ([&] ()
    {
        while (true)
        {
            usleep (10000);
            //std::this_thread::yield();
            std::lock_guard <std::mutex> thread_lock (m);

            std::cerr << "#" << std::flush;
        }
    });

    while (true)
    {
        usleep (10000);
        //std::this_thread::yield();
        std::lock_guard <std::mutex> main_lock (m);
        std::cerr << "." << std::flush;
    }
}