为什么冗余的额外作用域块会影响 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，但是 thread_lock 周围的范围块在理论上应该不是必需的。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：

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

即，似乎 thread_lock 永远不会屈服于 main_lock。

如果删除冗余作用域块，为什么 thread_lock 总是获得锁而 main_lock 总是等待？

Answer 1

您可以在不拥有互斥体的情况下让出线程（或休眠）来提示它重新安排时间。下面相当长的睡眠会可能导致它输出#.#.#.#。完美。如果你切换到屈服，你可能会得到############......但在 long [=15 中大约是 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;
    }
}

Answer 2

我在 GCC (7.3.0) 上使用 pthreads 在 Linux 上测试了您的代码（删除了块作用域），得到了与您相似的结果。主线程饿死了，虽然如果我等的时间足够长，我偶尔会看到主线程做一些工作。

但是，我运行使用 MSVC (19.15) 在 Windows 上使用相同的代码并且没有线程被饿死。

看起来您正在使用 posix，所以我猜您的标准库在后端使用了 pthreads？（即使使用 C++11，我也必须 link pthreads。）Pthreads 互斥体不保证运行公平。但这只是故事的一半。您的输出似乎与 usleep 调用有关。

如果我取出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，由于持有互斥量时睡眠时间过长，因此几乎可以保证运行主线程将尽可能地阻塞[=38] =].想象一下，一开始主线程可能会尝试自旋，希望互斥锁很快可用。一段时间后，它可能会被放入等候名单。

在辅助线程中，lock_guard对象在循环结束时被销毁，从而释放互斥量。它会唤醒主线程，但它会立即构造一个新的 lock_guard 再次锁定互斥量。主线程不太可能会抢到互斥锁，因为它刚刚被调度。所以除非在这个小window中发生上下文切换，否则辅助线程很可能会再次获得互斥锁。

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

正如@Ted Lyngmo 在他的回答中所说，如果在创建 lock_guard 之前添加睡眠，则饥饿的可能性会大大降低。

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

我也用 yield 试过这个，但我需要 5+ 才能让它更公平，这让我相信在实际的库实现细节、OS 调度程序和缓存中还有其他细微差别和内存子系统的影响。

顺便说一句，谢谢你提出了一个很好的问题。它真的很容易测试和使用。

为什么冗余的额外作用域块会影响 std::lock_guard 行为？

Why does a redundant extra scoping block affect std::lock_guard behaviour?

c++

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std

stdmutex