为什么get_tail()要使用tail_mutex上的锁？

Question

template<typename T>
class threadsafe_queue
{
private:
    struct node
    {
        std::shared_ptr<T> data;
        std::unique_ptr<node> next;
    };

    std::mutex head_mutex;
    std::unique_ptr<node> head;
    std::mutex tail_mutex;
    node* tail;

    node* get_tail()
    {
        std::lock_guard<std::mutex> tail_lock(tail_mutex);
        return tail;
    }

    std::unique_ptr<node> pop_head()
    {
        std::lock_guard<std::mutex> head_lock(head_mutex);
        // is it necessary to use get_tail()
        if(head.get()==get_tail()) 
        {
            return nullptr;
        }
        std::unique_ptr<node> const old_head=std::move(head);
        head=std::move(old_head->next);
        return old_head;
    }


public:
    threadsafe_queue():
        head(new node),tail(head.get())
    {}

    threadsafe_queue(const threadsafe_queue& other)=delete;
    threadsafe_queue& operator=(const threadsafe_queue& other)=delete;

    std::shared_ptr<T> try_pop()
    {
        std::unique_ptr<node> old_head=pop_head();
        return old_head?old_head->data:std::shared_ptr<T>();
    }

    void push(T new_value)
    {
        std::shared_ptr<T> new_data(
            std::make_shared<T>(std::move(new_value)));
        std::unique_ptr<node> p(new node);
        node* const new_tail=p.get();
        std::lock_guard<std::mutex> tail_lock(tail_mutex);
        tail->data=new_data;
        tail->next=std::move(p);
        tail=new_tail;
    }
};

以上代码摘自第162页的"C++并发操作“。在这里，它使用get_tail()获得带有tail_mutex锁的尾部。

书上说：

事实证明，tail_mutex上的锁不仅是保护尾本身的读取所必需的，而且还必须确保不会有数据竞争从头读取数据。如果您没有这个互斥对象，那么线程很可能调用try_pop()，线程可以并发调用push()，并且它们的操作没有定义的顺序。即使每个成员函数都对互斥锁持有锁，但它们对不同互斥锁持有锁，并且它们可能访问相同的数据；毕竟，队列中的所有数据都来自对push()的调用。因为线程可能访问相同的数据而没有定义的顺序，这将是一个数据竞争和未定义的行为。谢天谢地，tail_mutex在get_tail()中的锁解决了所有问题。因为对get_tail()的调用与对push()的调用锁定相同的互斥对象，所以这两个调用之间有一个定义的顺序。对get_tail()的调用发生在对push()的调用之前，在这种情况下，它看到尾的旧值，或者在调用push()之后发生，在这种情况下，它会看到尾的新值和附加到以前的尾值的新数据。

我不太明白这一点:如果我只使用head.get() == tail，这种比较要么发生在tail = new_tail in push()中，将head.get()与旧的tail值进行比较，要么在将head.get()与tail的新值进行比较之后，为什么会出现数据竞争？

Answer 1

我不同意这点。get_tail不应该有任何互斥，这个函数本身不容易发生数据竞争，也不容易发生内存重排。事实上，应该完全消除get_tail。用户的尾巴应该保护使用作为学徒，但把互斥进入获取尾巴实际上是一个可怕的反模式。当然，在每个函数中添加互斥对象将使您的程序线程安全。它还将使它有效地单线程-如果单线程是需要的，只需不使用线程。

多线程的艺术并不在于把互斥放到任何地方。它是在不使用它们。