【C++】验证STL容器线程不安全

文章目录

• • 概要
  • 整体架构流程
  • 技术名词解释
  • 技术细节
  • • 示例代码
    • 代码现象
    • 分析代码
    • 来验证一下vector的扩容
  • 解决方法
  • 小结

概要

在并发编程中，线程安全是确保多个线程在同时访问共享资源时，不会引起数据竞争或意外的行为。在C++中，std::vector通常并不是线程安全的，因此在多线程环境中对std::vector进行读写操作可能会导致未定义行为。本文将通过实例验证std::vector的线程不安全性，并讨论如何解决这一问题。

整体架构流程

本文将分以下几部分讲解如何验证std::vector的线程不安全性：
1、多线程操作std::vector示例代码：构建一个简单的C++代码示例，在多线程中对std::vector执行插入和读取操作。
2、问题分析：分析代码在运行时出现的线程问题，分析出现的原因
3、解决方法：介绍一下解决的方法。

技术名词解释

线程安全（Thread Safety）：指在多线程程序中，多个线程访问共享资源时，不会产生数据竞争或未定义行为。
数据竞争（Data Race）：多个线程并发访问共享资源，并且至少一个线程执行写操作时，发生的竞争现象。
锁（Mutex）：一种同步机制，用于防止多个线程同时访问共享资源。

技术细节

示例代码

以下代码展示了一个多线程环境中对std::vector进行读写操作的示例，验证其线程不安全性。

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <string>
#include <vector>
#include <unistd.h>
using namespace std;

class Thread
{
public:
    Thread(string &name) : _threadname(name) {}
    bool start()
    {
        sleep(1);//这里sleep是为了让现象变得固定，不加sleep，则现象就太随机，不容易画图分析
        int n = pthread_create(&_tid, nullptr, threadroutine, this);
        if (n == 0)
        {
            return true;
        }
        return false;
    }

    static void *threadroutine(void *args)
    {
       
        Thread *self = static_cast<Thread *>(args);
        cout << self->_threadname << endl;
        return nullptr;
    }
    void Join()
    {
        pthread_join(_tid, nullptr);
    }

private:
    pthread_t _tid;
    std::string _threadname;
};

int main()
{
    vector<Thread> threads;
    for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
        string name = "thread-" + to_string(i);
        Thread thread(name);
        threads.push_back(thread);
        threads[i].start();
       
    }
    for (auto &thread : threads)
    {
        thread.Join();
    }
    return 0;
}

代码现象

可以发现，有些_threadname没有打印出来，有些打印出来了，因为加了sleep的原因，这个现象还是比较固定，容易分析的，那么原因出在哪了，没错，就是vector，vector的扩容问题。

分析代码

线程并发执行引发的vector扩容造成的线程安全问题

分析现象

来验证一下vector的扩容

只需要添加一行，std::cout<<threads.capacity()<<std::endl;

for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
        std::cout<<threads.capacity()<<std::endl;
        string name = "thread-" + to_string(i);
        Thread thread(name);
        threads.push_back(thread);
        threads[i].start();
       
    }

现象

至此，验证STL容器的vector线程不安全完成。

解决方法

这里提2种解决办法
1、先把Thread放进vector，最后再遍历vector来启动
2、进行加锁，这里的加锁也要留心，加锁不正确，仍然会导致线程安全问题

int main()
{
    vector<Thread> threads;
    for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
        string name = "thread-" + to_string(i);
        Thread thread(name);
        threads.push_back(thread);
    }
    for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
        threads[i].start();
    }
    for (auto &thread : threads)
    {
        thread.Join();
    }
    return 0;
}

加锁的代码，注意加锁和释放锁的时机，不正确的加锁仍然会有问题

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <string>
#include <vector>
#include <unistd.h>
using namespace std;
pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
class Thread
{
public:
    Thread(string &name) : _threadname(name) {}
    bool start()
    {
        pthread_mutex_lock(&lock);
        // sleep(1); // 这里sleep是为了让现象变得固定，不加sleep，则现象就太随机，不容易画图分析
        int n = pthread_create(&_tid, nullptr, threadroutine, this);
        if (n == 0)
        {
            return true;
        }
        return false;
    }

    static void *threadroutine(void *args)
    {
        
        Thread *self = static_cast<Thread *>(args);
        cout << self->_threadname << endl;
        pthread_mutex_unlock(&lock);
        return nullptr;
    }
    void Join()
    {
        pthread_join(_tid, nullptr);
    }

private:
    pthread_t _tid;
    std::string _threadname;
};

int main()
{
    vector<Thread> threads;
    for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
        
        string name = "thread-" + to_string(i);
        Thread thread(name);
        pthread_mutex_lock(&lock);
        threads.push_back(thread);
        pthread_mutex_unlock(&lock);
        threads[i].start();
    }
    for (auto &thread : threads)
    {
        thread.Join();
    }
    return 0;
}

小结

在多线程场景中，std::vector 并发访问和扩容会导致数据竞争、无效指针、内存泄漏等问题。通过该案例分析，能够能加深刻的认识到线程安全带来的危害，实验的是string，那如果是金钱呢，线程安全问题不可忽视