Warum erhalte ich trotz der Verwendung von Bedingungsvariablen Segmentierungsfehler in meiner Thread-sicheren C 11-Warteschlange?

Thread-sichere C 11-Warteschlangen: Auflösen falscher Thread-Wakeups

In einem vielschichtigen Projekt verarbeiten mehrere Threads gleichzeitig eine Liste von Dateien . Jeder Thread kann der Warteschlange Dateien zur Verarbeitung hinzufügen, was reibungslos funktionieren und Race Conditions vermeiden sollte. Es sind jedoch einige unerwartete Segmentierungsfehler aufgetreten, die eine Untersuchung ihres Ursprungs erforderlich machten.

Die FileQueue-Klasse verwendet Mutexe (qMutex) und Bedingungsvariablen (populatedNotifier), um Warteschlangenoperationen zwischen Threads zu koordinieren. Wenn ein Thread eine Datei zur Warteschlange hinzufügt (enqueue), signalisiert er dem wartenden Thread (populatedNotifier.notify_one()), und wenn ein Thread eine Datei aus der Warteschlange abruft (dequeue), wartet er darauf, dass die Warteschlange gefüllt wird (falls notwendig: populatedNotifier.wait_for()).

Trotz dieser Vorsichtsmaßnahmen treten gelegentlich Segmentierungsfehler in der Dequeue-Methode auf, insbesondere innerhalb von if (...wait_for(lock, timeout) == std::cv_status:: no_timeout) { } Block. Die Untersuchung des Codes zeigt, dass die Warteschlange zum Zeitpunkt des Absturzes leer war. Dieses Verhalten ist paradox, da von wait_for erwartet wird, dass es cv_status::no_timeout nur zurückgibt, wenn es benachrichtigt wird, was bedeutet, dass eine Datei zur Warteschlange hinzugefügt wurde.

Wie kann dieser unerklärliche Fehler auftreten?

Der Übeltäter: Falsche Wake-ups

Es stellt sich heraus, dass Bedingungsvariablen aufgrund von Faktoren, die außerhalb der Kontrolle des Programms liegen, wie etwa Systemunterbrechungen oder Neuplanungen, zu „falschen Wake-ups“ führen können. Wenn dies geschieht, wird möglicherweise ein Thread aktiviert, obwohl keine tatsächliche Änderung des überwachten Zustands aufgetreten ist.

In der FileQueue-Dequeue-Methode wird die Bedingungsvariable verwendet, um auf das Eintreffen einer neuen Datei zu warten. Da die Bedingung jedoch nach der Freigabe der Sperre überprüft wird, ist es möglich, dass die Warteschlange wieder leer wird, bevor der Thread die Sperre erneut erhält. Folglich ist die Bedingung möglicherweise nicht mehr gültig.

Die Lösung: Inverse Bedingung und Sperrschutz

Ein robusterer, auf Bedingungsvariablen basierender Ansatz beinhaltet die Umstrukturierung der Schleife nach Verwenden Sie die inverse Bedingung und behalten Sie die Sperre während des gesamten Vorgangs bei:

<code class="cpp">while (q.empty()) {
    populatedNotifier.wait(lock);
}</code>

Indem der Thread vor dem Aufheben der Sperre prüft, ob die Warteschlange leer ist, stellt er sicher, dass die Bedingung während des gesamten kritischen Vorgangs gültig bleibt Abschnitt. Wenn der Thread versehentlich aktiviert wird, überprüft er den Zustand erneut, bevor er fortfährt.

Alternative Implementierung: Eine Vorlage für eine asynchrone Warteschlange

Im Sinne einer Thread-sicheren Warteschlange Implementierung finden Sie hier eine Vorlage, die eine alternative Lösung bietet:

<code class="cpp">while (q.empty()) {
    populatedNotifier.wait(lock);
}</code>

Diese Implementierung verwendet einen Mutex und eine Bedingungsvariable sowie eine While-Schleife, die sicherstellt, dass die Bedingung (eine leere Warteschlange) innerhalb der Sperre überprüft und im Falle eines falschen Aufwachens neu bewertet wird.

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