c++ - C++ std::mutex 如何绑定(bind)到资源？

Question

编译器是否简单地检查在 lock 和 unlock 语句之间修改了哪些变量并将它们绑定(bind)到 mutex 以便对它们进行独占访问？

或者 mutex.lock() 是否会锁定当前范围内可见的所有资源？

Answer 1

鉴于 m 是 std::mutex 类型的变量:

想象一下这个顺序:

int a;
m.lock();
b += 1;
a = b;
m.unlock();
do_something_with(a);

这里发生了一件“显而易见”的事情:

a 从 b 的分配和 b 的递增被“保护”不受其他线程的干扰，因为其他线程将尝试锁定相同的 m 并且将被阻塞，直到我们调用 m.unlock().

还有更微妙的事情正在发生。

在单线程代码中，编译器将寻求重新排序加载和存储。如果没有锁，编译器将可以自由地有效地重写您的代码，如果这在您的芯片组上效率更高:

int a = b + 1;
//    m.lock();
b = a;
//    m.unlock();
do_something_with(a);

甚至:

do_something_with(++b);

然而，std::mutex::lock(), unlock(), std::thread(), std::async()、std::future::get() 等等都是栅栏。编译器“知道”它可能不会以这样一种方式重新排序加载和存储(读取和写入)，以使操作在您编写代码时指定的栅栏的另一侧结束。

1:
2:    m.lock(); <--- This is a fence
3:    b += 1;   <--- So this load/store operation may not move above line 2
4:    m.unlock(); <-- Nor may it be moved below this line

想象一下如果不是这样会发生什么:

(重新排序的代码)

thread1: int a = b + 1;
  <--- Here another thread precedes us and executes the same block of code
  thread2: int a = b + 1;
  thread2: m.lock();
  thread2: b = a;
  thread2: m.unlock();
thread1: m.lock();
thread1: b = a;
thread1: m.unlock();
thread1:do_something_with(a);
thread2:do_something_with(a);

如果你按照它来，你会发现 b 现在有错误的值，因为编译器试图让你的代码更快。

...这只是编译器优化。 std::mutex 等还可以防止内存缓存以更“优化”的方式重新排序加载和存储，这在单线程环境中很好，但在多核环境中是灾难性的 (即任何现代 PC 或电话)系统。

这种安全性是有代价的，因为线程 A 的缓存必须在线程 B 读取相同数据之前被刷新，并且与缓存内存访问相比，将缓存刷新到内存非常慢。但是c'est la vie。这是确保并发执行安全的唯一方法。

这就是为什么我们更喜欢在 SMP 系统中，如果可能的话，每个线程都有自己的数据拷贝来工作。我们不仅要尽量减少在锁中花费的时间，还要尽量减少我们越过栅栏的次数。

我可以继续讨论 std::memory_order 修饰符，但这是一个黑暗而危险的漏洞，专家经常会出错，初学者也没有希望做对。