stl空间配置器线程安全问题补充

摘要

在上一篇博客《STL空间配置器那点事》简单介绍了空间配置器的基本实现

两级空间配置器处理，一级相关细节问题，同时简单描述了STL各组件之间的关系以及设计到的设计模式等。

在最后，又关于STL空间配置的效率以及空间释放时机做了简单的探讨。

线程安全问题概述

为什么会有线程安全问题？

　　认真学过操作系统的同学应该都知道一个问题。

　　first--进程是系统资源分配和调度的基本单位，是操作系统结构的基础，是一个程序的运行实体，同时也是一个程序执行中线程的容器

　　seconed--进程中作为资源分配基本单位，管理着所有线程共享资源：代码段，数据段，堆，部分共享区（IPC中的共享内存等）。。栈则是线程私有的。

所以，由此就有：如果我们的数据存放位置处在数据段，堆这两个地方，那么就会有线程安全问题：

#include <iostream>
using namespace std;
static int * arr = new int（4）;     //arr作为全局变量存在于数据段，new申请所得空间存在于堆上。

void testThreadSafe(int arg)
{
    *arr = arg;
}

int main()
{
    int arg;
    cin >> arg;
    testThreadSafe(arg);
    cout << (*arr)<<endl;
    return 0;
}

　　做个简单分析，假设进程同时运行到了第七行，因为程序执行的最小粒度是更为细致的cpu指令而不是一个代码语句。

所以可能A线程和B线程同时执行修改*arr = arg;，但是两个线程中cin>>arg输入的值不一样，那么就有问题。

两个线程各自执行到15行时，显示的结果是一样的（因为线程共享该区域），但他们本来却不该相同。

这就是线程安全问题。

STL中线程安全问题的存在　　

STL中，一级空间配置器简单封装malloc，free同时引入sethandler机制。而malloc，free作为最基本的系统调用是线程安全的，
所以问题就在二级空间配置器的实现部分了。

　　各位还记得二级配置器内部结构定义吧。

template <bool threads, int inst>
class __DefaultAllocTemplate 
{
//...
protected:

//桶结构,保存链表
    static _Obj* _freeList[_NFREELISTS]; 
//.....
};

这里的核心结构，保存自由链表的指针数组就是各静态数据，存在于数据段，于是就有了线程安全问题。

线程安全问题的解决方案之一：

linux环境，互斥锁

win环境，临界区（临界资源访问问题）

　　对于STL的二级空间配置器中，线程安全问题的唯一存在也就是对于已组织的自由链表的访问了（也就是Allocate和Deallocate了）：
两个线程同时向空间配置器申请内存块（ps，A未完成取出该节点并将表指针指向下一个节点时，B线程来了。于是两个线程同时得到一块内存）;

//////A执行玩1，尚未执行2，B就来申请空间。最终两个线程都修改数组中指针指向y，且共同拥有x

两个线程同时向空间配置器释放内存块;

　　

////a释放执行1而没有来得及执行2，于是乎，在1。5的情况系，b释放，进入。于是，最终结果，a块，b块都指向了x，但是数组中指针只是指向了后来修改他的值，于是就有了内存泄漏。

解决方案，互斥锁使用

核心代码给出：

文件Alloc.h中部分代码

#pragma once

#include "Config.h"
#include "Trace.h"

#include "Threads.h"

#ifdef __STL_THREADS
#define __NODE_ALLOCATOR_THREADS true  //用于二级空间配置器翻非类型模板参数

#define __NODE_ALLOCATOR_LOCK 
        { if (threads) _S_node_allocator_lock._M_acquire_lock(); }
#define __NODE_ALLOCATOR_UNLOCK 
        { if (threads) _S_node_allocator_lock._M_release_lock(); }
#else
//  Thread-unsafe
#   define __NODE_ALLOCATOR_LOCK
#   define __NODE_ALLOCATOR_UNLOCK
#   define __NODE_ALLOCATOR_THREADS false
#endif




# ifdef __STL_THREADS
    static _STL_mutex_lock _S_node_allocator_lock;
# endif

template <bool threads, int inst>
class __DefaultAllocTemplate 
{

class _Lock;
    friend class _Lock;
    class _Lock {
        public:
            _Lock() 
            {
                __TRACE("锁保护
");
             __NODE_ALLOCATOR_LOCK;
             }
            ~_Lock()
            {
                __TRACE("锁撤销
");
             __NODE_ALLOCATOR_UNLOCK; 
             }
    };
static void* Allocate(size_t n)
    {
        void * ret = 0;
        __TRACE("二级空间配置器申请n = %u
",n);
        if(n>_MAX_BYTES)
            ret = MallocAlloc::Allocate(n);

        _Obj* volatile * __my_free_list = _freeList + _FreeListIndex(n);

        //利用RAII（资源获取即初始化原则）进行封装，保证 即使内部抛出异常，依旧执行解锁操作
#ifdef __STL_THREADS
          _Lock __lock_instance;
#endif
        _Obj* __result = *__my_free_list;
    
        if (__result == 0)
            ret = _Refill(RoundUp(n));
        else
        {
            *__my_free_list = __result -> _freeListLink;
            ret = __result;
        }
        return ret;
    }

    static void Deallocate(void* p, size_t n)
    {
        if(!p)
        {
            return;
        }
        __TRACE("二级空间配置器删除p = %p,n = %d
",p,n);
        if (n > (size_t) _MAX_BYTES)
            MallocAlloc::Deallocate(p, n);
        else
        {
            _Obj* volatile*  __my_free_list = _freeList + _FreeListIndex(n);
            _Obj* q = (_Obj*)p;
        
#ifdef __STL_THREADS
            //进行资源归还自由链表时的锁操作。
              _Lock __lock_instance;
#endif
            q -> _freeListLink = *__my_free_list;
            *__my_free_list = q;
        }
    }

文件Threads.h

#pragma once 

#if defined(__STL_PTHREADS)
#include <pthread.h>
#endif

#include "Config.h"

__STLBEGIN

struct _STL_mutex_lock
{

#if defined(__STL_PTHREADS)
  pthread_mutex_t _M_lock;
  void _M_initialize()   { pthread_mutex_init(&_M_lock, NULL); }
  void _M_acquire_lock() { pthread_mutex_lock(&_M_lock); }
  void _M_release_lock() { pthread_mutex_unlock(&_M_lock); }
#else /* No threads */
  void _M_initialize()   {}
  void _M_acquire_lock() {}
  void _M_release_lock() {}
#endif
};

__STLEND

简单测试结果

其中TRACE打印的“锁保护”，“锁撤销” 部分就是二级空间配置器资源分配时锁机制的保护实现了。

　　其利用了C++的RAII（资源获取即初始化方案）　　

　　同时利用C++对象特性，退出作用域即执行析构函数，将解锁封装，巧妙的避免了死锁问题的产生

死锁：简单理解就是，因为某个线程锁定资源进行访问时，因为异常等原因退出执行，但是没来的及解锁，致使其他线程都无法访问共享资源的现象就是死锁。更细致的解释请找google叔。

最后，说明的是，实际的STL源码中因为需要考虑平台，系统兼容性等问题，对于锁的使用通过宏编译技术，有比较长的一段代码，我这里只是取出了当下linux平台可用代码放在了自己的Threads.h

更详细代码请关注个人另一博客：http://www.cnblogs.com/lang5230/p/5556611.html

或者github获取更新中的代码：https://github.com/langya0/llhProjectFile/tree/master/STL