编写 std::vector 与普通数组的线程安全答案

【问题标题】：Thread-safety of writing a std::vector vs plain array编写 std::vector 与普通数组的线程安全
【发布时间】：2012-12-19 15:27:57
【问题描述】：

我读过on Stackoverflow，没有一个 STL 容器对于写入来说是线程安全的。但这在实践中意味着什么？这是否意味着我应该将可写数据存储在普通数组中？

我预计对std::vector::push_back(element) 的并发调用可能会导致数据结构不一致，因为它可能需要调整向量的大小。但是像这种不涉及调整大小的情况呢：

使用数组：

int data[n];
// initialize values here...

#pragma omp parallel for
for (int i = 0; i < n; ++i) {
    data[i] += func(i);
}

使用`std::vector`:

std::vector<int> data;
data.resize(n);
// initialize values here...
    
#pragma omp parallel for
for (int i = 0; i < n; ++i) {
    data[i] += func(i);
}

第一个实现真的比第二个实现更好 a) 在线程安全方面和 b) 在性能方面？我更喜欢使用 std::vector，因为我对 C 样式的数组不太满意。

编辑：我删除了保护写入的#pragma omp atomic update。

【问题讨论】：

我不确定是否可以将其作为答案，但我很确定写入 std::vector 的不同元素是线程安全的。
这两个sn-ps同样是线程安全的。
“但这在实践中意味着什么？” ：这意味着如果任何/任一操作与并发写入同时发生，则容器必须专门为写入和读取而锁定。您可以让所有读者敲打您想要的容器，但是一旦引入写入 potential，所有赌注都关闭，您必须锁定 all 访问（不是只是其他作家）。顺便说一句，单写多读锁适用于此。

标签： c++ stl thread-safety openmp

【解决方案1】：

两者同样安全。如果没有从多个线程访问元素，你就可以了。您的并行循环只会访问每个元素一次，因此只能从一个线程访问。

标准中有空间让容器的成员函数成为非线程安全的。在这种情况下，您使用vector<int>::operator[]，因此您需要明确保证该成员的线程安全，这似乎是合理的，因为即使在非常量向量上调用它也不会修改向量本身。所以我怀疑在这种情况下是否存在问题，但我没有寻找保证[编辑：rici 找到它]。即使它可能不安全，您也可以在循环之前执行int *dataptr = &data.front()，然后索引dataptr 而不是data。

顺便说一句，对于vector<bool>，此代码不保证安全，因为它是多个元素共存于一个对象中的一种特殊情况。 bool 的数组是安全的，因为其中的不同元素是不同的“内存位置”（C++11 中的 1.7）。

【讨论】：

我写了一个小测试函数来看看openmp是否正常运行。我使用vector<bool>，将其大小调整为使用的线程数（初始化为false），并将所有值同时设置为true。如果每个值都为真，则函数返回真以表明所有线程都正确生成。 vector<bool> 再次来袭。幸运的是，我最近实际上阅读了标准的相关部分，所以我能够弄清楚，但如果有人偶然发现这一点，他们需要确保避免同时写入 vector<bool>。
这样，从每个对应的单独线程 push_back 到 std::vector<vector<type>> 下的单个向量应该是安全的吗？

【解决方案2】：

对于指定数据竞争规则的 c++11，描述了容器的线程安全性。该标准的相关部分是第 23.2.2 节第 2 段：

尽管有 (17.6.5.9) 的规定，当同时修改同一序列中不同元素中包含的对象的内容时，需要实现以避免数据争用，vector 除外。

[ 注意：对于大小大于一的向量 x，x[1] = 5 和 *x.begin() = 10 可以同时执行而不会发生数据争用，但 x[0] = 5 和 *x.begin() = 10 同时执行可能会导致数据竞争。作为一般规则的一个例外，对于 vector y，y[0] = true 可能与 y[1] = true 竞争。 ——尾注]

除非特别允许，否则上述第 17.6.5.9 条基本上禁止任何标准库接口的任何并发修改，因此我引用的部分确切地告诉您什么是允许的（包括您的使用）。

由于 Steve Jessop 提出了这个问题，第 23.2.2 节的第 1 段明确允许在序列容器中同时使用 []：

为了避免数据竞争 (17.6.5.9)，实现应将以下函数视为 const：begin、end、rbegin、rend、front、back、data、find、lower_bound、upper_bound、equal_range、at 和，除了在关联或无序关联容器中，operator[]。

【讨论】：

【解决方案3】：

它的主要意思是，如果你有多个线程访问向量，你不能依赖 C++ 来防止你通过多个并发写入来破坏数据结构。所以你需要使用某种保护。另一方面，如果您的程序不使用多线程，而您的示例似乎没有，那么您完全可以。

【讨论】：

赞成为 0。这可能被认为不正确，但在删除的编辑之前发布：#pragma omp atomic update，它确实阻止了并发写入并使此答案在原始帖子的上下文中正确

【解决方案4】：

在这种情况下，你应该只用必要数量的值来构造你的向量吗？一切都会好起来的。

std::vector<int> data(n, 0);

resize() 效果很好。性能将是相同的。多线程访问不会破坏向量的原因是：您的数据位于它的位置并且不会从那里移动。 OMP 线程一次不会访问同一个元素。

【讨论】：