使用 volatile 在 C++ 98/03 中实现双重检查锁定

Question

阅读 this 关于 C++ 中的双重检查锁定模式的文章，我到达了作者展示使用 volatile 变量“正确”实现 DCLP 的尝试之一的地方（第 10 页）：

class Singleton {
public:
  static volatile Singleton* volatile instance();

private:
  static volatile Singleton* volatile pInstance;
};

// from the implementation file
volatile Singleton* volatile Singleton::pInstance = 0;
volatile Singleton* volatile Singleton::instance() {
  if (pInstance == 0) {
    Lock lock;
    if (pInstance == 0) {
      volatile Singleton* volatile temp = new Singleton;
      pInstance = temp;
    }
  }
  return pInstance;
}

在这样的例子之后有一个我不明白的文本sn-p：

首先，标准对可观察行为的限制仅适用于 标准定义的抽象机器，以及该抽象机器 没有多个执行线程的概念。结果，虽然 该标准防止编译器重新排序读取和写入 volatile data within 一个线程，它完全不施加任何约束 这样的重新排序跨线程。至少大多数编译器是这样的 实施者解释事物。因此，在实践中，许多 编译器可能会从上面的源代码生成线程不安全的代码。

及以后：

... C++ 的抽象机是单线程的，C++ 编译器可以 选择从上面的源代码生成线程不安全的代码， 无论如何。

这些说明与单处理器上的执行有关，因此绝对不是缓存一致性问题。

如果编译器无法对线程内中的易失性数据的读取和写入重新排序，那么对于此特定示例，它如何重新排序跨线程的读取和写入，从而生成线程- 不安全的代码？

Answer 1

指向单例的指针可能是易变的，但内单例的数据不是。

想象一下 Singleton 有 int x, y, z; 作为成员，由于某种原因在构造函数中设置为 15, 16, 17。

  volatile Singleton* volatile temp = new Singleton;
  pInstance = temp;

好的，temp 写在pInstance 之前。 x,y,z 是什么时候写的？前？后？你不知道。它们不是 volatile 的，因此不需要相对于 volatile 排序。

现在有一个线程进来看看：

if (pInstance == 0) {  // first check

假设pInstance 已设置，不为空。 x,y,z 的值是多少？即使new Singleton已经被调用，并且构造函数已经“运行”了，你也不知道设置x,y,z的操作是否已经运行了。

所以现在您的代码会读取 x,y,z 并崩溃，因为它真的期待 15,16,17，而不是随机数据。

哦等等，pInstance 是一个指向 volatile 数据的 volatile 指针！所以x,y,z 是不稳定的，对吗？对？因此使用pInstance 和temp 订购。啊哈！

几乎。来自*pInstance 的任何读取都将是易失的，但通过new Singleton 的构造不是易失的。所以对x,y,z 的初始写入没有排序。 :-(

所以你可以，也许，让成员volatile int x, y, z; OK。不过……

C++现在有一个内存模型，即使在写这篇文章时它还没有。根据当前规则，volatile 不会阻止数据竞争。 volatile 与线程无关。该程序是UB。猫和狗住在一起。

此外，尽管这推动了标准的极限（即，对于 volatile 的真正含义变得模糊），一个无所不知、无所不知、全程序优化的编译器可以查看您对volatile 并说“不，这些 volatile 实际上并没有连接到任何 IO 内存地址等，它们确实不是可观察到的行为，我只是想让它们成为非易失性”...

Answer 2

我认为他们指的是第 6 节（“多处理器机器上的 DCLP”）中讨论的 缓存一致性问题。对于多处理器系统，处理器/缓存硬件可能会写出 @ 的值987654321@ 在为分配的Singleton 写出值之前。这可能导致第二个 CPU 在看到它指向的数据之前看到非 NULL pInstance。

这需要一个硬件栅栏指令，以确保在系统中的其他 CPU 可以看到任何内存之前更新所有内存。

Answer 3

如果我理解正确，他们说的是在单线程抽象机的上下文中，编译器可能会简单地转换：

volatile Singleton* volatile temp = new Singleton;
pInstance = temp;

进入：

pInstance = new Singleton;

因为可观察的行为没有改变。那么这就让我们回到原来的双重检查锁定问题。