非原子变量的并发读取

Question

我在尝试实现共享指针时遇到了这个问题。让我们关注托管数据指针。它的生命周期可以分为三个阶段：

1. 没有并发访问的构造。
2. 并发读取（无写入）。
3. 没有并发访问的破坏。这是通过引用计数来保证的。

我的问题是，在这种情况下，指针是否必须是原子的？我认为它相当于：如果指针不是原子的，第 2 阶段会导致未定义的行为吗？理想情况下，我希望听到从理论（语言律师）和实践的角度讨论的答案。例如，如果不是原子的，第 2 阶段理论上可能是未定义的行为，但在实际平台上实际上是可以的。实现共享指针，如果非原子可以，托管指针可以是unique_ptr<T>，否则必须是atomic<T*>。

更新

我找到了标准文本（第 1.10 节 p21）：

一个程序的执行包含一个数据竞争，如果它包含两个 不同线程中的冲突操作，至少其中一个不是 原子的，并且两者都不发生在另一个之前。任何此类数据竞赛 导致未定义的行为。

我猜并发读取不会被归类为冲突操作。有人能找到一些关于这个的标准文本来确定吗？

Answer 1

对任何变量的并发读取，无论是否是原子的，都不会构成数据竞争，因为在[intro.multithread] 中找到了冲突评估的定义：

两个表达式求值冲突，如果其中一个修改了内存位置，而另一个访问或修改了相同的内存位置。

最近，这已转移到[intro.races]，措辞发生了非常微妙的变化

两个表达式求值冲突，如果其中一个修改了内存位置，而另一个读取或修改了相同的内存位置。

从 accesses 到 reads 的变化发生在草稿 n4296 和 n4431 之间。多线程部分的拆分发生在 n4582 和 n4604 之间。

Answer 2

规则是，如果多个线程同时访问同一个对象，并且这些线程中至少有一个正在修改数据，那么就会发生数据竞争，并且程序的行为是未定义的。如果没有人修改对象，则并发访问没有问题。

Answer 3

自己寻找答案。引用自C++ Concurrency in Action 中第 5.1.2 节的第一段：

[...] 如果两个线程都没有更新内存位置，那没关系； 只读数据不需要保护或同步。如果要么 线程正在修改数据，有可能发生竞争 条件，如第 3 章所述。

Answer 4

所以我想你说的是保存计数器和指向所拥有数据的指针的结构：

template<class ValueType>
struct shared_counter{
  std::atomic<int> count=0;
  const std::unique_ptr<ValueType> ptr;
  //Your question is: Does ptr should be atomic?
  //... This is a dumb implementation, only focusing on the subject.
  };

实际上，ptr 不需要是原子的，因为如果适当地实现了引用计数，所有对ptr 的访问都将在 shared_counter 的析构之前排序。

为了确保在 shared_ptr 的析构函数中，计数器通过读取-修改-写入和获取-释放内存顺序递减：

template<class ValueType>
struct shared_ptr{
   shared_counter<ValueType>* counted_ptr;
   //...
   void reset(){
     if (counted_ptr->count.fetch_sub(1,std::memory_order_acq_rel) == 1)
       counter_ptr->~shared_counter<ValueType>();
     counter_ptr=nullptr;
     }
   };

由于这个内存顺序，如果在线程 A 中获取的 count 值为 1，这意味着在所有其他线程中 other shared_ptrs 指向相同的shared_counter 将不再访问这个shared_counter。内存顺序确保这些其他线程中对该 shared_counter 执行的访问将发生在线程 A 中获取值 1 之前。（在其他线程中释放 -> 在将调用析构函数的线程中获取）。

所以没有必要让ptr 是原子的，因为计数器递减会导致足够的排序。