延迟初始化缓存...如何使其成为线程安全的？

Question

这就是我所拥有的：

• Windows 服务
  • C#
  • 多线程
  • 服务使用读写锁（一次多次读取，写入阻塞其他读/写线程）
• 一个简单的自写数据库
  • C++
  • 小到可以放入内存
  • 足够大，不想在启动时加载它（例如 10GB）
  • 读取性能非常重要
  • 写作没那么重要
  • 树形结构
  • 保存在树节点中的信息存储在文件中
  • 为提高性能，文件仅在首次使用和缓存时加载
  • 延迟初始化以加快数据库启动

由于数据库会非常频繁地访问这些节点信息（每秒数千次），而且我不经常写，我想使用某种双重检查锁定模式。

我知道这里有很多关于双重检查锁定模式的问题，但似乎有很多不同的意见，所以我不知道什么是最适合我的情况。你会如何处理我的设置？

这是一个例子：

• 一棵有 100 万个节点的树
• 每个节点存储一个键值对列表（存储在一个文件中用于持久化，文件大小大小：10kB）
• 第一次访问节点时，列表被加载并存储在一个映射中（sth. like std::map）
• 下次访问这个节点的时候就不用再加载文件了，直接从map中获取就行了。
• 唯一的问题：两个线程第一次同时访问节点，想要 写入缓存映射。这不太可能发生，但也不是不可能。这就是我需要线程安全的地方，这不应该花费太多时间，因为我通常不需要它（尤其是当整个数据库都在内存中时）。

Answer 1

关于双重检查锁定：

class Foo
{
  Resource * resource;

  Foo() : resource(nullptr) { }
public:
  Resource & GetResource()
  {
    if(resource == nullptr)
    {
      scoped_lock lock(mutex); 
      if(resource == nullptr)
        resource = new Resource();
    }
    return *resource;
  }
}

检查资源地址是否为空时，它不是线程安全的。因为资源指针有可能在初始化指向它的 Resource 对象之前被分配给一个非空值。

但是使用 C++11 的“原子”特性，您可能拥有双重检查锁定机制。

class Foo
{
  Resource * resource;
  std::atomic<bool> isResourceNull;
public:
  Foo() : resource(nullptr), isResourceNull(true) { }

  Resource & GetResource()
  {
    if(isResourceNull.load())
    {
      scoped_lock lock(mutex); 
      if(isResourceNull.load())
      {
        resource = new Resoruce();
        isResourceNull.store(false);
      }
    }
    return *resource;
  }
}

编辑：没有原子

#include <winnt.h>

class Foo
{
  volatile Resource * resource;

  Foo() : resource(nullptr) { }
public:
  Resource & GetResource()
  {
    if(resource == nullptr)
    {
      scoped_lock lock(mutex); 
      if(resource == nullptr)
      {
        Resource * dummy = new Resource();
        MemoryBarrier(); // To keep the code order
        resource = dummy;  // pointer assignment
      }
    }
    return  *const_cast<Resource*>(resource);
  }
}

MemoryBarrier() 确保首先创建dummy，然后分配给resource。 根据this link，指针分配在 x86 和 x64 系统中将是原子的。而volatile保证resource的值不会被缓存。

Answer 2

您是在问如何使读取 DB 或读取 Nodes 线程安全吗？

如果您尝试使用后者并且您不经常写作，那么为什么不将您的节点设为immutable，句号呢？如果你需要写一些东西，然后从现有节点复制数据，修改它并创建另一个节点，然后你可以将其放入数据库中。