如何同步运行在不同线程上的函数的实例（在C++11中）？

Question

假设有多个线程由运行相同函数实例的循环组成，但是每个迭代的开始都需要同步（所以首先完成的线程必须等待最后一个线程开始新的迭代）。在C++11中如何做到这一点？

...

这在大多数情况下都起作用，但有时会有一两个线程无法唤醒。

这些是全局变量：

mutex syncMutex;
condition_variable syncCV;
int sync;

这是在线程中循环运行的函数的末尾：

unique_lock<mutex> lk(syncMutex);
cout << "Thread num: " << mFieldNum << " got sync value: " << sync;
sync --;
syncCV.notify_all();
cout << " and goes to sleep..." << endl;
syncCV.wait(lk, []{return sync == numFields;});
cout << "Thread num: " << mFieldNum << " woke up" << endl;
}

unique_lock<mutex> lk(syncMutex);
syncCV.wait(lk, []{return sync == 0;});
sync = 3;
lk.unlock();
cout << "Notifying all threads!" << endl;
syncCV.notify_all();

Thread num: 1 got sync value: 3 and goes to sleep...
Thread num: 2 got sync value: 2 and goes to sleep...
Thread num: 3 got sync value: 1 and goes to sleep...
Notifying all threads!
Thread num: 1 woke up
Thread num: 2 woke up
Thread num: 3 woke up
Thread num: 2 got sync value: 3 and goes to sleep...
Thread num: 1 got sync value: 2 and goes to sleep...
Thread num: 3 got sync value: 1 and goes to sleep...
Notifying all threads!
Thread num: 2 woke up
Thread num: 1 woke up
Thread num: 2 got sync value: 3 and goes to sleep...
Thread num: 1 got sync value: 2 and goes to sleep...

Answer 1

线程同步存在许多问题。托尼在他的评论中提到了一个。在主循环代码中还有一个潜在的竞争条件，即在调用synccv.notify_all()之前调用lk.unlock()。（这可能允许线程错过notify_all信号。）

我将以两种方式调整您的代码。首先，为了解决使用“sync==numfields”作为条件的问题（正如Tony所指出的，在另一个线程执行了sync之后可能会失败），使用每个线程在每个主线程循环中只运行一次作为条件是有意义的。在我的示例代码中，这是通过引入“done[numFields]”变量来实现的。其次，引入两个条件变量是有意义的--一个用于通知工作线程新的主循环迭代已经开始，另一个用于通知主线程工作线程已经完成。（请注意，这两个条件变量使用相同的互斥体。）

下面是一个完整的程序,它以示例代码为模型,包含了以下两种方法：

#include <iostream>
using std::cout;
using std::endl;

#include <condition_variable>
#include <mutex>
#include <thread>
#include <vector>

std::mutex syncMutex;
std::condition_variable readyCV;
std::condition_variable doneCV;
int sync;
bool exitFlag;

const int numFields = 5;
bool done[numFields];

const int nloops = 10;

void thread_func(int i) {
  int mFieldNum = i;
  while (true) {
    std::unique_lock<std::mutex> lk(syncMutex);
    readyCV.wait(lk, [mFieldNum]{return  exitFlag || !done[mFieldNum-1];});
    if (exitFlag)  break;
    cout << "Thread num: " << mFieldNum << " woke up, got sync value: " << sync;
    if (--sync == 0)  doneCV.notify_all();
    done[mFieldNum-1] = true;
    readyCV.notify_all();
    cout << " and goes to sleep..." << endl;
  }
}

int main (int argc, char* argv[]) {
  exitFlag = false;
  sync = 0;
  std::vector<std::thread> threads;
  for (int i = 0; i < numFields; i++) {
    done[i] = true;
    threads.emplace_back (thread_func, i+1);
  }
  for (int i = 0; i <= nloops; i++) {
    std::unique_lock<std::mutex> lk(syncMutex);
    doneCV.wait(lk, []{return sync == 0;});
    cout << "main loop (lk held), i = " << i << endl;
    sync = numFields;
    if (i == nloops)  exitFlag = true;
    else              for (auto &b : done)  b = false;
    cout << "Notifying all threads!" << endl;
    readyCV.notify_all();
  }

  for (auto& t : threads)  t.join();
}

#include <iostream>
using std::cout;
using std::endl;

#include <atomic>
#include <mutex>
#include <thread>
#include <vector>

std::mutex coutMutex;

std::atomic<int> sync;

const int numFields = 5;
bool done[numFields];

const int nloops = 10;

void thread_func(int i) {
  int mFieldNum = i;
  int mySync = sync--;
  {
    std::lock_guard<std::mutex> lk(coutMutex);
    cout << "Thread num: " << mFieldNum << " woke up, got sync value: " << mySync << endl;
  }
}  

int main (int argc, char* argv[]) {
  for (int i = 0; i < nloops; i++) {
    cout << "main loop, i = " << i << endl;
    std::vector<std::thread> threads;
    sync = numFields;
    for (int i = 0; i < numFields; i++)  threads.emplace_back (thread_func, i+1);
    for (auto& t : threads)  t.join();
  }
}

（coutMutex是一种精确的方法，这样控制台输出就不会乱码，但对于核心同步逻辑来说，它不是必需的。）

如果在您的实际用例中，您不需要thread_func从一个迭代到另一个迭代保持活动状态（例如，保持某种状态），并且如果每次对thread_func的调用所做的工作足以使创建一个新线程来运行它的成本与此相比并不重要，那么为每次主循环迭代创建新线程（而不是重用线程）就会变得直接、合理和简单。

快乐的多线程黑客！

K.弗兰克