尽管使用条件变量，为什么我的线程安全 C 11 队列中仍会出现分段错误？

线程安全的 C 11 队列：解决虚假线程唤醒

在多方面的项目中，多个线程同时处理文件列表。每个线程都可以将文件添加到队列中进行处理，这应该无缝运行并避免竞争条件。然而，出现了一些意外的分段错误，促使对其起源进行调查。

FileQueue 类使用互斥体 (qMutex) 和条件变量 (populatedNotifier) 来协调线程之间的队列操作。当线程将文件添加到队列（入队）时，它会向等待线程发出信号（populatedNotifier.notify_one()），当线程从队列中检索文件（出队）时，它会等待队列被填充（如果必要：populatedNotifier.wait_for())。

尽管采取了这些预防措施，出队方法中偶尔会出现分段错误，特别是在 if (...wait_for(lock, ti​​meout) == std::cv_status:: no_timeout) { } 块。检查代码表明崩溃时队列为空。这种行为是矛盾的，因为 wait_for 预计只会在收到通知时返回 cv_status::no_timeout，这意味着文件已添加到队列中。

怎么会发生这种莫名其妙的错误？

罪魁祸首：虚假唤醒

事实证明，由于程序无法控制的因素（例如系统中断或重新安排），条件变量可能会经历“虚假唤醒”。发生这种情况时，即使监视的条件没有发生实际变化，线程也可能会被唤醒。

在 FileQueue 出队方法中，条件变量用于等待新文件的到来。但是，由于条件是在锁释放之后检查的，因此在线程重新获取锁之前队列可能再次变空。因此，条件可能不再有效。

解决方案：逆条件和锁保护

更强大的基于条件变量的方法涉及将循环重构为使用逆条件并在整个操作过程中保持锁：

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

通过在释放锁之前检查空队列，线程确保条件在整个关键时刻保持有效部分。如果被虚假唤醒，线程会在继续之前重新检查条件。

替代实现：异步队列的模板

本着线程安全队列的精神实现，这里是一个提供替代解决方案的模板：

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

此实现采用互斥体和条件变量，以及一个 while 循环，确保在锁内检查条件（空队列）并在出现虚假唤醒时重新评估。

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