C++11 多线程：数据保护

在编写多线程程序时，多个线程同时访问某个共享资源，会导致同步的问题，这篇文章中我们将介绍 C++11 多线程编程中的数据保护。

数据丢失

让我们从一个简单的例子开始，请看如下代码：

`01`	`#include <iostream>`

`02`	`#include <string>`

`03`	`#include <thread>`

`04`	`#include <vector>`

05

`06`	`using` `std::thread;`

`07`	`using` `std::vector;`

`08`	`using` `std::cout;`

`09`	`using` `std::endl;`

10

`11`	`class` `Incrementer`

12 {

`13`	`private:`

`14`	`int` `counter;`

15

16 public:

`17`	`Incrementer（） : counter{0} { };`

18

`19`	`void` `operator（）（）`

20 {

`21`	`for（int` `i = 0; i < 100000; i++）`

22 {

`23`	`this->counter++;`

24 }

25 }

26

`27`	`int` `getCounter（）` `const`

28 {

`29`	`return` `this->counter;`

30 }

31 };

32

`33`	`int` `main（）`

34 {

`35`	`// Create the threads which will each do some counting`

`36`	`vector<thread> threads;`

37

`38`	`Incrementer counter;`

39

`40`	`threads.push_back（thread（std::ref（counter）））;`

`41`	`threads.push_back（thread（std::ref（counter）））;`

`42`	`threads.push_back（thread（std::ref（counter）））;`

43

`44`	`for（auto &t : threads）`

45 {

`46`	`t.join（）;`

47 }

48

`49`	`cout << counter.getCounter（） << endl;`

50

`51`	`return` `0;`

52 }

这个程序的目的就是数数，数到30万，某些傻叉程序员想要优化数数的过程，因此创建了三个线程，使用一个共享变量 counter，每个线程负责给这个变量增加10万计数。这段代码创建了一个名为 Incrementer 的类，该类包含一个私有变量 counter，其构造器非常简单，只是将 counter 设置为 0.紧接着是一个操作符重载，这意味着这个类的每个实例都是被当作一个简单函数来调用的。一般我们调用类的某个方法时会这样 object.fooMethod（），但现在你实际上是直接调用了对象，如 object（）. 因为我们是在操作符重载函数中将整个对象传递给了线程类。最后是一个 getCounter 方法，返回 counter 变量的值。再下来是程序的入口函数 main（），我们创建了三个线程，不过只创建了一个 Incrementer 类的实例，然后将这个实例传递给三个线程，注意这里使用了 std::ref ，这相当于是传递了实例的引用对象，而不是对象的拷贝。现在让我们来看看程序执行的结果，如果这位傻叉程序员还够聪明的话，他会使用 GCC 4.7 或者更新版本，或者是 Clang 3.1 来进行编译，编译方法：

`1`	`g++ -std=c++11 -lpthread -o threading_example main.cpp`

运行结果：

`01`	`[lucas@lucas-desktop src]$ ./threading_example`

02 218141

`03`	`[lucas@lucas-desktop src]$ ./threading_example`

04 208079

`05`	`[lucas@lucas-desktop src]$ ./threading_example`

06 100000

`07`	`[lucas@lucas-desktop src]$ ./threading_example`

08 202426

`09`	`[lucas@lucas-desktop src]$ ./threading_example`

10 172209

但等等，不对啊，程序并没有数数到30万，有一次居然只数到10万，为什么会这样呢？好吧，加1操作对应实际的处理器指令其实包括：

`1`	`movl counter（%rip）, %eax`

`2`	`addl $1, %eax`

`3`	`movl %eax, counter（%rip）`

首个指令将装载 counter 的值到 %eax 寄存器，紧接着寄存器的值增1，然后将寄存器的值移给内存中 counter 所在的地址。我听到你在嘀咕：这不错，可为什么会导致数数错误的问题呢？嗯，还记得我们以前说过线程会共享处理器，因为只有单核。因此在某些点上，一个线程会依照指令执行完成，但在很多情况下，操作系统会对线程说：时间结束了，到后面排队再来，然后另外一个线程开始执行，当下一个线程开始执行时，它会从被暂停的那个位置开始执行。所以你猜会发生什么事，当前线程正准备执行寄存器加1操作时，系统把处理器交给另外一个线程？我真的不知道会发生什么事，可能我们在准备加1时，另外一个线程进来了，重新将 counter 值加载到寄存器等多种情况的产生。谁也不知道到底发生了什么。