std::call_once 是否无锁？

Question

我想知道 std::call_once 是否已解锁。 There 是使用互斥锁的 call_once 实现。但是我们为什么要使用互斥锁呢？我尝试使用 atomic_bool 和 CAS 操作编写简单的实现。代码线程安全吗？

#include <iostream>
#include <thread>
#include <atomic>
#include <unistd.h>

using namespace std;
using my_once_flag = atomic<bool>;

void my_call_once(my_once_flag& flag, std::function<void()> foo) {
    bool expected = false;
    bool res = flag.compare_exchange_strong(expected, true,
                                            std::memory_order_release, std::memory_order_relaxed);
    if(res)
        foo();
}
my_once_flag flag;
void printOnce() {
    usleep(100);
    my_call_once(flag, [](){
       cout << "test" << endl;
    });
}

int main() {
    for(int i = 0; i< 500; ++i){
            thread([](){
                printOnce();
            }).detach();
    }
    return 0;
} 

Answer 1

您提出的实现不是线程安全的。它确实保证foo() 只会通过此代码调用一次，但它不保证所有线程都会看到调用foo() 的副作用。假设线程 1 执行比较结果为真，那么调度程序在线程 2 调用 foo() 之前切换到线程 2。线程 2 将变为假，跳过对 foo() 的调用，然后继续。由于尚未执行对 foo() 的调用，因此线程 2 可以在 foo() 的任何副作用发生之前继续执行。

Answer 2

已经调用过的快速路径可以免等待。

gcc 的实现看起来并不那么高效。我不知道为什么它的实现方式与使用非常量 arg 初始化 static 局部变量的方式不同，对于已经初始化的情况，它使用非常便宜（但不是免费的！）的检查。

http://en.cppreference.com/w/cpp/thread/call_once 表示：

保证函数局部静态的初始化只发生 即使从多个线程调用一次，也可能更有效 比使用 std::call_once 的等效代码。

---

为了实现高效，std::once_flag 可以具有三种状态：

• 执行完成：如果你找到这个状态，你已经完成了。
• 执行中：如果您发现：等到它更改为已完成（或更改为 failed-with-exception，在这种情况下尝试声明它）
• 执行未开始：如果发现此问题，请尝试对其进行 CAS 处理并调用该函数。如果 CAS 失败，则其他线程成功，因此进入等待完成状态。

在大多数架构（尤其是所有负载都是获取负载的 x86）上，使用获取加载检查标志非常便宜。一旦设置为“完成”，程序的其余部分就不会对其进行修改，因此它可以在所有内核上保持缓存在 L1 中（除非您将其与经常修改的内容放在同一缓存行中，从而创建错误共享）。

即使您的实现有效，它每次都会尝试原子 CAS，这比负载获取贵得多。

---

我还没有完全解码 gcc 为call_once 所做的事情，但在检查指针是否为 NULL 之前，它会无条件地执行一堆加载，并两次存储到线程本地存储。 (test rax,rax / je)。但如果是，它会调用std::__throw_system_error(int)，因此它不是用于检测已初始化案例的保护变量。

所以看起来它无条件地调用__gthrw_pthread_once(int*, void (*)())，并检查返回值。因此，对于您想要廉价地确保完成一些初始化，同时避免静态初始化惨败的用例来说，这非常糟糕。 （即您的构建过程控制静态对象的构造函数的顺序，而不是您放入代码本身的任何内容。）

所以我建议使用static int dummy = init_function();，其中 dummy 要么是您真正想要构建的东西，要么只是一种调用 init_function 的方式，因为它的副作用。

然后在快速路径上，asm 来自：

int called_once();

void static_local(){
  static char dummy = called_once();
  (void)dummy;
}

看起来像这样：

static_local():
    movzx   eax, BYTE PTR guard variable for static_local()::dummy[rip]
    test    al, al
    je      .L18
    ret
 .L18:
    ... # code that implements basically what I described above: call or wait

See it on the Godbolt compiler explorer，以及 gcc 的std::once_flag 的实际代码。

---

您当然可以使用原子 uint8_t 自己实现一个保护变量，它一开始初始化为非零，并且仅在调用完成时才设置为零。如果编译器像 gcc 一样怪异并决定将其实际加载到寄存器中而不是使用 cmp byte [guard], 0，则在某些 ISA（包括 x86）上测试零可能会稍微便宜一些。