C++ 静态函数和线程安全答案

【问题标题】：C++ Static functions and thread safetyC++ 静态函数和线程安全
【发布时间】：2014-06-27 02:14:39
【问题描述】：

好的，我已经在全能的谷歌上搜索了一些适合我的问题的明确答案，但我没有成功。我正在用 C++ 开发一个硬件抽象层，它通过各种串行协议（SPI、I2C、UART）进行通信，并且板上有很多需要控制的 IC。每个 IC 都有自己的类别。因为我通过类对硬件进行建模，所以我认为在我的代码中拥有与安装在板上的 IC 数量相同数量的实例对我来说很重要。这是我的问题：我需要控制这些实例的创建。我想出的解决方案是将实例存储在 static std::map 中，它有一个 std::string 作为键（我使用 SPI 的设备名称和 I2C 的地址例子）。代码是这样的：

IC.h

class SomeICMap {
private:
    static std::map<std::string addr, std::shared_ptr<IC> > instance_map;
public:
    static IC* getInitializedInstance(std::shared_ptr<CommInterface> comm, const std::string& addr);
}

IC.cpp

std::map<std::string addr, std::shared_ptr<IC> > instance_map;

IC* SomeICMap::getInitializedInstance(std::shared_ptr<CommInterface> comm, const std::string& addr) {
    std::map<string, std::shared_ptr<IC> >::iterator it;
    it = instance_map.find(addr);

    if (it == instance_map.end()) {

            std::shared_ptr<IC> device(new IC(comm, addr));

            if (device->init() != 0) {
                return NULL;
            }

            instance_map[addr] = device;
            return device.get();
    }

    return it->second.get();
}

这样我就不会得到安装在板上的硬件的重复实例。我对每个 IC 都这样做了。

我的问题是：这个线程安全吗？

我将在 Linux 下运行的多个线程中使用其中的一些 IC。我不确定这是否安全，因为我正在访问静态地图以获取指针并访问硬件。从我在线阅读的内容来看，对硬件的实际访问是安全的，因为内核在使用 write() read() 来操作打开的文件描述符时会处理并发问题。我担心的是程序首次创建 IC 实例时会出现竞争条件。

【问题讨论】：

stl 容器不是线程安全的。

标签： c++ static thread-safety stdmap

【解决方案1】：

SomeICMap::getInitializedInstance 不是线程安全的：有可能某个线程访问instance_map 而另一个线程正在修改它。这是一场数据竞赛，C++ 没有为具有数据竞赛的程序定义行为。您可以通过将互斥锁放入类中并确保在持有互斥锁的同时执行对地图的所有访问来解决此问题：

class SomeICMap {
private:
    static std::map<std::string addr, std::shared_ptr<IC> > instance_map;
    static std::mutex mtx; // <-------
public:
    static IC* getInitializedInstance(std::shared_ptr<CommInterface> comm,
                                      const std::string& addr);
};

std::map<std::string addr, std::shared_ptr<IC> > SomeICMap::instance_map;
std::mutex SomeICMap::mtx; // <-------

IC* SomeICMap::getInitializedInstance(std::shared_ptr<CommInterface> comm,
                                      const std::string& addr) {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); // <-------
    std::map<string, std::shared_ptr<IC> >::iterator it;
    it = instance_map.find(addr);

    if (it == instance_map.end()) {

            std::shared_ptr<IC> device(new IC(comm, addr));

            if (device->init() != 0) {
                return NULL;
            }

            instance_map[addr] = device;
            return device.get();
    }

    return it->second.get();
}

【讨论】：

更好的读写器锁，因为创作很少而且相距甚远。

【解决方案2】：

如果您同时从多个线程调用getInitializedInstance，那么不，这不是线程安全的。原因是map 插入可能会与另一个插入或读取交错。

一个简单的解决方案是在类中添加一个静态std::mutex，并在函数开头围绕它构造一个unique_lock。

【讨论】：