多线程编程中条件变量和虚假唤醒(spurious wakeup)的讨论

多线程编程中条件变量和虚假唤醒的讨论

1. 概述
条件变量(condition variable)是利用共享的变量进行线程之间同步的一种机制。典型的场景包括生产者-消费者模型，线程池实现等。
对条件变量的使用包括两个动作：
1) 线程等待某个条件, 条件为真则继续执行，条件为假则将自己挂起(避免busy wait,节省CPU资源)；
2) 线程执行某些处理之后，条件成立；则通知等待该条件的线程继续执行。
3) 为了防止race-condition，条件变量总是和互斥锁变量mutex结合在一起使用。
一般的编程模式：

var mutex;
var cond;
var something;

Thread1: (等待线程)
lock(mutex);
while( something not true ){
	condition_wait( cond, mutex);
}
do(something);
unlock(mutex);

//============================

Thread2: (解锁线程)

do(something);
....
something = true;

unlock(mutex);
condition_signal(cond);

函数说明：
(1) Condition_wait()：调用时当前线程立即进入睡眠状态,同时互斥变量mutex解锁(这两步操作是原子的，不可分割)，以便其它线程能进入临界区修改变量。
(2) Condition_signal(): 线程调用此函数后，除了当前线程继续往下执行以外； 操作系统同时做如下动作：从condition_wait()中进入睡眠的线程中选一个线程唤醒， 同时被唤醒的线程试图锁(lock)住互斥量mutex, 当成功锁住后，线程就从condition_wait()中成功返回了。

2. 函数接口

pthread: pthread_cond_wait/pthread_cond_signal/pthread_cond_broadcast()
Java: Condition.await()/Condition.signal()/Condition.signalAll()

3. 虚假唤醒(spurious wakeup)在采用条件等待时，我们使用的是

while(条件不满足){
   condition_wait(cond, mutex);
}
而不是:
If( 条件不满足 ){
   Condition_wait(cond,mutex);
} 

这是因为可能会存在虚假唤醒”spurious wakeup”的情况。
也就是说，即使没有线程调用condition_signal, 原先调用condition_wait的函数也可能会返回。此时线程被唤醒了，但是条件并不满足，这个时候如果不对条件进行检查而往下执行，就可能会导致后续的处理出现错误。
虚假唤醒在linux的多处理器系统中/在程序接收到信号时可能回发生。在Windows系统和JAVA虚拟机上也存在。在系统设计时应该可以避免虚假唤醒，但是这会影响条件变量的执行效率，而既然通过while循环就能避免虚假唤醒造成的错误，因此程序的逻辑就变成了while循环的情况。
注意：即使是虚假唤醒的情况，线程也是在成功锁住mutex后才能从condition_wait()中返回。即使存在多个线程被虚假唤醒，但是也只能是一个线程一个线程的顺序执行，也即：lock(mutex)   检查/处理  condition_wai()或者unlock(mutex)来解锁.

4. 解锁和等待转移(wait morphing)

解锁互斥量mutex和发出唤醒信号condition_signal是两个单独的操作，那么就存在一个顺序的问题。谁先随后可能会产生不同的结果。如下：
[color=red](1) 按照 unlock(mutex); condition_signal()顺序， 当等待的线程被唤醒时，因为mutex已经解锁，因此被唤醒的线程很容易就锁住了mutex然后从conditon_wait()中返回了。

//...
unlock(mutex);  
condition_signal(cond);

(2) 按照 condition_signal(); unlock(mutext)顺序，当等待线程被唤醒时，它试图锁住mutex,但是如果此时mutex还未解锁，则线程又进入睡眠，mutex成功解锁后，此线程在再次被唤醒并锁住mutex，从而从condition_wait()中返回。

//...
condition_signal(cond);
unlock(mutex);  

[/color]

可以看到，按照(2)的顺序，对等待线程可能会发生2次的上下文切换，严重影响性能。因此在后来的实现中，对(2)的情况，如果线程被唤醒但是不能锁住mutex,则线程被转移(morphing)到互斥量mutex的等待队列中，避免了上下文的切换造成的开销。 -- wait morphing

编程时，推荐采用(1)的顺序解锁和发唤醒信号。而Java编程只能按照(2)的顺序，否则发生异常!!。

在SUSv3http://en.wikipedia.org/wiki/Single_UNIX_Specification的规范中(pthread)，指明了这两种顺序不管采用哪种，其实现效果都是一样的。

评论

1 楼 leoncha 2013-09-14  

在wait morphing一节中提到的(1)确实是一种优化，不过可能引起的问题是线程的优先级倒置，所以pthread的规范中中提到

引用

if predictable scheduling behaviour is required, then that mutex is locked by the thread calling pthread_cond_signal() or pthread_cond_broadcast().

这段文字只是和实时性有关，而实时系统对可预测性要求又高。
具体可以见：https://groups.google.com/forum/?hl=ky#!msg/comp.programming.threads/wEUgPq541v8/ZByyyS8acqMJ

当然对于普通的应用程序而言，优先级倒置不是一个太大的问题。