C++新特性28_线程同步问题的产生原因(高级语言转为低级语言执行,时间片交替运行多线程中代码,代码切换过程中出现的问题)

2023-11-16

C++11中在语法层次提供了线程的支持,但是同步与线程是如影相随,为什么这两个是在一起的呢?我们讨论一下多线程给我们带来了什么样的麻烦?

1. 线程同步问题

伴随着多线程的使用,同步的问题是不可避免的出现,这是为什么呢?

首先我们看以下的例子:
全局变量g_nData在主线程及子线程中都有分别加10万次,结果会是怎样呢?

#include <tchar.h>
#include <iostream>
#include <thread>

using namespace std;

int g_nData = 0;

//回调函数中对全局变量g_nData做加法操作
//子线程中加10万次
void foo() {
	for (int i = 0; i < 100000; i++) {
		g_nData++;
	}

}

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
	//定义一个子线程的对象 回调函数为foo()
	std::thread t(foo);

	//主线程中全局变量g_nData也加10万次
	for (int i = 0; i < 100000; i++) {
		g_nData++;
	}

	t.join();

	std::cout << g_nData << std::endl;

	return 0;
}

运行结果:
在这里插入图片描述
看到结果一脸懵逼,怎么着也不应该是119797呀!按想法应该要跑20万次呀!再跑一次看看。
在这里插入图片描述
值又不一样了,这就是多线程带来的同步的问题。

2. 线程同步问题的产生原因

分析一下问题:我们所写的C++语言属于高级语言,电脑在运行时会想将其转为低级语言即汇编语言。高级语言(c/c++)–>低级语言(汇编代码)

(1)在子线程的g_nData++处设置断点并进行反汇编
在这里插入图片描述
(2)一行g_nData++的高级语言反汇编后看到有三句
在这里插入图片描述
释义:

/*
		g_nData++;
00DB42F3  mov         eax,dword ptr [g_nData (0DBF380h)]  寄存器eax=0DBF380h内存中g_nData数值(CPU要计算就需要将值从内存中转存到寄存器中)
00DB42F8  add         eax,1                               寄存器eax++:寄存器中值+1
00DB42FB  mov         dword ptr [g_nData (0DBF380h)],eax  内存中g_nData数值=寄存器eax(赋值回去)
*/

查看反汇编代码的方法:
在这里插入图片描述
(3) 同时主线程g_nData++处设置断点并进行反汇编,并与子线程的汇编代码放在一起比较:

子线程
00DB42F3  mov         eax,dword ptr [g_nData (0DBF380h)]  寄存器eax=内存中g_nData数值
00DB42F8  add         eax,1                               寄存器eax++
00DB42FB  mov         dword ptr [g_nData (0DBF380h)],eax  内存中g_nData数值=寄存器eax

主线程:
005A48D9  mov         eax,dword ptr [g_nData (0DBF380h)]
005A48DE  add         eax,1
005A48E1  mov         dword ptr [g_nData (0DBF380h)],eax

子线程和主线程同时运行,其实质是利用时间片即交替20ms分别执行,某个线程执行完某一行可能就挂起执行另一个线程,那么就有一种可能,一个线程中三行代码没执行完,但是时间到了,转而执行另一个线程。

(4)通俗易懂的举个例子:
子线程在20ms期间执行5000次,时间到的时候刚执行完以下代码:005A48E1 mov dword ptr [g_nData (0DBF380h)],eax,并没有从寄存器中将值传递给内存,就转而执行主线程。
主线程接着执行了6000次,时间到了之后又传递给子线程,诡异的事情就在此时发生,因为刚才从子线程转到主线程的时候,下一步就是005A48E1 mov dword ptr [g_nData (0DBF380h)],eax,这个时候系统就会在子线程中让寄存器的值变为5000,紧接着运行,主线程的6000次就白跑了。

3. 线程同步问题的解决方法

为了解决上面的问题,我们可以怎么去修改代码呢?
方法很多,其中一种就是将 t.join();提前,这样就可以等前面子线程运行结束才会执行下面的10万次的加法,这样就可以实现结果为20万次。

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
	//定义一个子线程的对象 回调函数为foo()
	std::thread t(foo);

	t.join();

	//主线程中全局变量g_nData也加10万次
	for (int i = 0; i < 100000; i++) {
		g_nData++;
	}

	std::cout << g_nData << std::endl;

	return 0;
}

在这里插入图片描述
但是这种方法将同步运行变成了先后的运行,并未实现并发的要求,是伪并发,下篇我们将会讨论如何解决这些问题。

4. 学习视频地址:线程同步问题的产生原因

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