如何在 C++ 中的线程之间传递对静态成员变量的更改答案

【问题标题】：How to communicate changes to static member variable between threads in C++如何在 C++ 中的线程之间传递对静态成员变量的更改
【发布时间】：2012-09-25 22:08:00
【问题描述】：

我有一个使用静态成员变量作为标志的类。该程序是多线程的，并且对静态变量值的更改不会在线程之间一致地进行通信。

代码如下：

MyClass.h 文件：

class MyClass 
{
private:
    void runLoop();
    static bool shutdownRequested;
};

MyClass.cpp 文件：

bool MyClass::shutdownRequested = false;  // static variable definition

void MyClass::runLoop()
{
    // much code omitted 

    if (isShutdownNecessary() && !shutdownRequested)
    {
        shutdownRequested = true;  // Race condition, but that's OK
        MyLog::Error("Service shutdown requested");
        // more code omitted
    }
}

我预计上面显示的日志行可能只会出现一次，但由于竞争条件，理论上每个线程可能会出现一次。（在我的情况下，竞争条件是可以接受的。）但是，我看到日志行在每个线程中出现了几十次。我可以说出来，因为 MyLog 类还记录每个日志行的线程 ID、进程 ID 等。

到目前为止，我仅在 Windows 版本构建中观察到此问题。我还没有在 Windows 调试版本或 Linux 版本中观察到它。

由于在多核处理器的不同内核上运行不同的线程，我可以理解每个线程查看一次日志行。我很惊讶地看到相同的线程一遍又一遍地执行日志行。

任何人都可以阐明可能导致这种情况发生的具体机制，以及我可以做什么（例如同步）来强制更新静态变量的值以被识别？

【问题讨论】：

使用std::atomic<bool> 而不是bool - 问题已解决。（根本问题是你需要一个内存屏障。）
我应该提到：我不能使用 Boost 或 C++ 的最新添加。我必须使用 Visual Studio 2008。
我看不出线程无法看到它自己对变量的更改。所以 AFAICS 你有一些其他问题。很可能在您未显示的代码中。
@echawkes ：那么您最简单的选择（如果您想避免锁定）是将变量从bool 更改为LONG，并且只能使用InterlockedXXX 之一访问它功能。
只是一个关于你的问题的问题。如果不同的线程在程序的不同内核上运行，这是否意味着每个线程都会有不同的堆？如果每个程序确实有不同的堆，静态变量将存储在哪里？幕后的静态变量有什么事情吗？

标签： c++ multithreading static-members

【解决方案1】：

一般来说，从不“比赛没问题”是真的。在我所知道的所有线程模型（包括 Visual C++、POSIX 线程和 C++11）下，定义为同时写入和读取普通变量的数据竞争是未定义的行为。

也就是说，既然您提到您使用的是 Visual C++，您可以不必将共享变量声明为“volatile”。 Microsoft's documentation says:

当使用 /volatile:ms 编译器选项时——默认情况下针对 ARM 以外的体系结构——编译器生成额外的用于维护对 volatile 对象的引用之间的顺序的代码除了保持对其他全局引用的排序对象。特别是：

对 volatile 对象的写入（也称为 volatile 写入）具有释放语义；即对全局或静态对象的引用在指令中写入易失性对象之前发生序列将发生在编译后的二进制文件中的易失性写入之前。

对 volatile 对象的读取（也称为 volatile 读取）具有 Acquire 语义；也就是说，对全局或静态对象的引用在指令序列中读取易失性存储器后发生将在已编译的二进制文件中进行 volatile 读取之后发生。

这使得 volatile 对象可以用于内存锁定和释放在多线程应用程序中。

这至少使行为定义明确。从多个线程都可以记录消息的意义上讲，您仍然存在竞争条件，但它不是“未定义行为”意义上的“数据竞争”。

至于为什么一个线程可能不会“看到它自己的更新”，如果没有同步，一个线程可能会“推测性地存储”到地址以获得性能。也就是说，编译器可能会发出如下代码：

bool tmp = shutdownRequested;
shutdownRequested = true;
if (isShutdownNecessary() && !tmp)
{
    MyLog::Error("Service shutdown requested");
    // more code omitted
}
else
    shutdownRequested = false;

只要编译器能证明isShutdownNecessary()不访问shutDownRequested，这对单线程程序来说是合法的转换。编译器（或 CPU）可能认为这个推测版本更快。但是在多线程的情况下，它可能会导致您看到的行为。反汇编肯定会让你知道...

这种推测性的执行往往在每一代编译器和 CPU 中变得更加激进，这是“数据竞争”非常具体地引发未定义行为的原因之一。如果你的代码有任何机会活到下周之后，你只是不想去那里。

volatile 声明将阻止 Visual Studio 进行这种转换。但是跨平台解决此问题的唯一方法是使用互斥锁进行适当的锁定（如果这是一个繁忙的循环，可能还有一个条件变量）。这些细节在 C++11 之前的平台之间有所不同。

【讨论】：

感谢您的解释：这澄清了很多事情。我认为 32 位对齐的原语（例如 int、bool）上的读/写操作在我们支持的硬件上保证是原子的，但也许我不应该这样假设。（stackoverflow上有很多关于这个问题的讨论。）我应该在原帖中提到：我的代码是在Windows（VS 2008）和Linux（gcc 4.4.5）上编译的，所以我将重写这段代码，将shutdownRequested 的测试和写入放在同一个同步块中。

【解决方案2】：

最简单的解决方案可能是将变量声明为静态 volatile bool。 volatile 声明将阻止编译器进行任何导致变量被缓存的优化。

【讨论】：

【解决方案3】：

你可能想要一个互斥+共享变量。

【讨论】：

【解决方案4】：

如果您不能使用 boost 或 C++11 中的任何原子特性，那么您可以使用读/写锁来避免竞争条件。这应该有助于减少互斥锁可能发生的锁定争用。当您有很多读取和偶尔（很少）写入时，读/写锁对您的情况特别有用，因为可能有多个同时读取。至于写，一次只能有一个，这和读也是互斥的。

在 Linux 中，可以使用 pthread_rwlock_t 获得读/写锁，在 Windows 中，这里有两个参考：

http://msdn.microsoft.com/en-us/library/windows/desktop/aa904937(v=vs.85).aspx

http://www.codeproject.com/Articles/16411/Ultra-simple-C-Read-Write-Lock-Class-for-Windows

【讨论】：