多线程。如何平等共享共同资源？

Question

简单的代码（我知道这是一个非常糟糕的代码，但我只是为了示例）：

 1 #include <mutex>
 2 #include <iostream>
 3 #include <thread>
 4 
 5 std::mutex mu;
 6 
 7 void myFunc(void) {
 8         for (int i = 0; i < 100; ++i) {
 9                 mu.lock();
 10                 std::cout << "CHILD Thread: " << std::this_thread::get_id() << std::endl;
 11                 mu.unlock();
 12         }
 13 }
 14 
 15 int main()
 16 {
 17         std::thread thr(myFunc);
 18         for (int i = 0; i < 100; ++i) {
 19                 mu.lock();
 20                 std::cout << "MAIN Thread: " << std::this_thread::get_id() << std::endl;
 21                 mu.unlock();
 22         }
 23         thr.join();
 24         return 0;
 25 }

返回这种输出：

1      MAIN Thread: 140581832210240
2      MAIN Thread: 140581832210240
3      MAIN Thread: 140581832210240
4      MAIN Thread: 140581832210240
5      MAIN Thread: 140581832210240
6      MAIN Thread: 140581832210240
7      MAIN Thread: 140581832210240
8      CHILD Thread: 140581814855424
9      CHILD Thread: 140581814855424
10     CHILD Thread: 140581814855424
11     CHILD Thread: 140581814855424
12     CHILD Thread: 140581814855424
13     CHILD Thread: 140581814855424
14     CHILD Thread: 140581814855424
15     CHILD Thread: 140581814855424
16     CHILD Thread: 140581814855424
17     CHILD Thread: 140581814855424
18     MAIN Thread: 140581832210240
19     MAIN Thread: 140581832210240
20     MAIN Thread: 140581832210240
21     MAIN Thread: 140581832210240
22     MAIN Thread: 140581832210240
23     CHILD Thread: 140581814855424
24     CHILD Thread: 140581814855424
25     CHILD Thread: 140581814855424
26     CHILD Thread: 140581814855424
27     CHILD Thread: 140581814855424
28     CHILD Thread: 140581814855424
29     CHILD Thread: 140581814855424
           ....... and so on

正如我所见——这个输出违背了多线程的含义，因为一个线程必须等待另一个线程很长时间。这个输出应该同时给我 cout of child、cout of main、cout of child、cout of main 等等。我知道互斥锁不负责公平共享公共资源，但是：谁是？我如何在我的程序中实现它？

谢谢。

编辑：将 std::cout 放入函数中：

10 void common_cout(string msg) {
11         mu.lock();
12         std::cout << msg << std::endl;
13         mu.unlock();
14 }

没有帮助。

Answer 1

原始代码在 windows 中也有同样的问题，但我切换到使用原生 windows 等效项，这个 windows 示例按照您期望的方式工作，在两个线程之间交替。 ReleaseMutex() 的每个实例都会导致“其他”线程获取互斥锁并运行。 main 中的 Sleep(2) 是一种确保 myFunc 首先启动它的循环的简单方法。

我还创建了一个带有主线程和两个线程的版本，总共三个线程。循环按顺序进行，因此 Windows 本机互斥锁似乎是按请求的顺序完成的。

对于循环类型的循环或线程和/或进程之间的一般同步，每个线程或进程使用一个信号量更好，因为任何线程或进程都可以增加（释放/发出信号）任何信号量。这样做的问题是信号量不是标准线程接口的本机部分，需要互斥锁和条件变量的某种组合来实现信号量的等价物。 Windows 和 posix 支持本机信号量。

#include <iostream>
#include <windows.h>

static HANDLE mu;                       // handle: mutex
static HANDLE ht1;                      // handle: thread 1
static DWORD  id1;                      // thread 1 id

DWORD WINAPI myFunc(LPVOID) {
    for (int i = 0; i < 20; ++i) {
        WaitForSingleObject(mu, INFINITE);
        std::cout << "child thread: " << i << std::endl;
        ReleaseMutex(mu);
    }
    return 0;
}

int main()
{
    mu = CreateMutex(NULL,TRUE,NULL);   // main owns mutex
    ht1 = CreateThread(NULL, 0, myFunc, 0, 0, &id1);
    Sleep(2);                           // make sure myFunc running
    ReleaseMutex(mu);                   // release mutex
    for (int i = 0; i < 20; ++i) {
        WaitForSingleObject(mu, INFINITE);
        std::cout << "main  thread: " << i << std::endl;
        ReleaseMutex(mu);
    }
    WaitForSingleObject(ht1, INFINITE);
    CloseHandle(ht1);
    CloseHandle(mu);
    return 0;
}

输出

child thread: 0
main  thread: 0
child thread: 1
main  thread: 1
...
child thread: 18
main  thread: 18
child thread: 19
main  thread: 19

3 线程示例：

#include <iostream>
#include <windows.h>

static HANDLE mu;                       // handle: mutex
static HANDLE ht0;                      // handle: thread 0
static HANDLE ht1;                      // handle: thread 1
static DWORD  id0;                      // thread 0 id
static DWORD  id1;                      // thread 1 id

DWORD WINAPI Thread0(LPVOID) {
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        WaitForSingleObject(mu, INFINITE);
        std::cout << "Thread0 : " << i << std::endl;
        ReleaseMutex(mu);
    }
    return 0;
}

DWORD WINAPI Thread1(LPVOID) {
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        WaitForSingleObject(mu, INFINITE);
        std::cout << "Thread1 : " << i << std::endl;
        ReleaseMutex(mu);
    }
    return 0;
}

DWORD WINAPI Thread2(LPVOID) {
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        WaitForSingleObject(mu, INFINITE);
        std::cout << "Thread2 : " << i << std::endl;
        ReleaseMutex(mu);
    }
    return 0;
}

int main()
{
    mu = CreateMutex(NULL,TRUE,NULL);   // main owns mutex
    ht0 = CreateThread(NULL, 0, Thread0, 0, 0, &id0);
    ht1 = CreateThread(NULL, 0, Thread1, 0, 0, &id1);
    Sleep(2);                           // let other threads get started
    ReleaseMutex(mu);                   // release mutex
    Thread2(0);
    WaitForSingleObject(ht0, INFINITE);
    WaitForSingleObject(ht1, INFINITE);
    CloseHandle(ht0);
    CloseHandle(ht1);
    CloseHandle(mu);
    return 0;
}

输出

Thread0 : 0
Thread1 : 0
Thread2 : 0
Thread0 : 1
Thread1 : 1
Thread2 : 1
...
Thread0 : 9
Thread1 : 9
Thread2 : 9

Answer 2

我知道 mutex 不负责公平共享公共资源，但是：谁是？

实际调度由您的操作系统完成。

您还没有说这是什么，但通常不在线程之间切换的频率比必要的多，因为它效率低下（切换有一些成本）。

换句话说，您对“公平”的想法——大概是每个线程轮流进行的严格循环——将是一种昂贵的默认行为。如果它是你想要的，你无论如何都可以明确地编码它。公平调度程序的通常目标涉及在可运行线程必须等待多长时间和在线程仍在执行（可能）有用工作时抢占线程是否合理的频率之间进行某种权衡。

当然，操作系统的行为还取决于您拥有多少内核。你也没有提到这个。

...我如何在我的程序中实现它？

如果您在线程中执行了一些合理数量的实际工作，您可能会发现调度程序的行为更符合您的喜好。这种人为的测试很少能给出有用的结果，特别是因为你在一个紧密的循环中执行了少量的代码。