如何实现线程安全队列

Question

我之前在Python中使用过多线程库,但这是我第一次尝试在C中进行线程化.我想创建一个工作池.反过来,这些工作者应该推送或从队列中弹出.以下代码还没有完成,但是到目前为止我做的是:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#define NUMTHREADS 20 /* number of threads to create */

typedef struct node node;
typedef struct queue queue;

struct node {
    char *name;
    node *next;
};

struct queue {
    node *head;
    node *tail;
};

/* pop: remove and return first name from a queue */
char *pop(queue *q)
{
    if (q->head == NULL)
        return NULL;
    char *name = q->head->name;
    node *tmp = q->head;
    q->head = q->head->next;
    free(tmp);
    return name;
}

/* push: add name to the end of the queue */
int push(queue *q, char *name)
{
    node *new = malloc(sizeof(node));
    if (new == NULL)
        return -1;
    new->name = name;
    new->next = NULL;
    if (q->tail != NULL)
        q->tail->next = new;

    q->tail = new;
    if (q->head == NULL) /* first value */
        q->head = new;
    return 0;
}

/* printname: get a name from the queue, and print it. */
void *printname(void *sharedQ)
{
    queue *q = (queue *) sharedQ;
    char *name = pop(q);
    if (name == NULL)
        pthread_exit(NULL);
    printf("%s\n",name);
    pthread_exit(NULL);
}

int main()
{
    size_t i;
    int rc;
    pthread_t threads[NUMTHREADS];
    char *names[] = {
        "yasar",
        "arabaci",
        "osman",
        "ahmet",
        "mehmet",
        "zeliha"
    };

    queue *q = malloc(sizeof(queue));
    q->head = NULL;
    q->tail = NULL;

    /* number of elements in the array */
    size_t numelems = sizeof(names) / sizeof(char *);

    for (i = 0; i < numelems; i++) /* push each name */
        push(q, names[i]);

    for (i = 0; i < NUMTHREADS; i++) { /* fire up threads */
        rc = pthread_create(&threads[i], NULL, printname,
                (void *)q);
        if (rc) {
            printf("Error, return code from pthread is %d\n", rc);
            exit(-1);
        }
    }

    pthread_exit(NULL);
}

我尝试了上面的代码,它总是打印每个名称一次.它没有跳过任何名字,也没有两次打印同名.另一方面,我不确定这个队列实现的线程安全性如何.所以我的问题是,这是一个线程安全的队列吗？如果没有,为什么不呢？以及如何使其线程安全？

Answer 1

代码不是线程安全的.

推送和弹出功能不是线程安全的.在代码中,推送仅由单个线程执行,因此无关紧要,但pop正在由多个线程执行.

1. char *name = q->head->name;
2. node *tmp = q->head;
3. q->head = q->head->next;
4. free(tmp);

想象一下线程A执行到第2行并包括第2行.线程B然后执行到第4行并包括第4行.线程A继续执行.它发现q-> head已经被free()编辑了.

现在,这到目前为止讨论了逻辑问题.

但是,有一些物理问题需要考虑.

想象一下,我们有一个锁定机制,线程可以同步它们的行为,这样一次只有一个线程可以执行第1到第4行中的代码,例如互斥,这是一个只有一个线程可以"保持"的对象,并尝试获取互斥锁阻塞线程,直到保持线程释放.

0. get mutex
1. char *name = q->head->name;
2. node *tmp = q->head;
3. q->head = q->head->next;
4. free(tmp);
5. release mutex

我们仍然会遇到一个问题,因为任何给定CPU核心(而不是线程)执行的写操作只能立即显示给该核心上的线程; 不要在其他核心上的线程.

仅仅同步执行是不够的; 同时,我们还必须确保核心执行的写入对其他核心可见.

(联合国)幸运的是,所有现代同步方法也执行此写入刷新(例如,当您获得互斥锁时,还会刷新所有写入内存).我不幸地说,因为你不 - 总是 - 需要这种行为而且它对性能有害.