C++11 中双重检查锁定模式 (DCLP) 的实现是否正确？

Question

我正在阅读有关 DCLP（双重检查锁定模式）的信息，但我不确定我是否正确。在使用原子创建锁时（如DCLP fixed in C++11 中所述），有两点不清楚：

1. 在文章代码中：

std::atomic<Singleton*> Singleton::m_instance;
std::mutex Singleton::m_mutex;

Singleton* Singleton::getInstance() {
    Singleton* tmp = m_instance.load(std::memory_order_acquire);
    if (tmp == nullptr) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(m_mutex);
        tmp = m_instance.load(std::memory_order_relaxed);
        if (tmp == nullptr) {
            tmp = new Singleton;
            m_instance.store(tmp, std::memory_order_release);
        }
    }
    return tmp;
}

如果我在“load()”中获取栅栏，但 tmp 不是 nullptr，我只是返回，会发生什么情况？我们不应该说明 CPU 可以在哪里“释放围栏”吗？

如果不需要释放栅栏，那我们为什么要获取和释放？有什么区别？

Surly 我错过了一些基本的东西......

1. 如果我正确理解了这篇文章，那么这也是实现 DCLP 的正确方法吗？

Singleton* Singleton::m_instance = null;
std::atomic<bool> Singleton::is_first; // init to false
std::mutex Singleton::m_mutex;

Singleton* Singleton::getInstance() {
    bool tmp = is_first.load(std::memory_order_acquire);
    if (tmp == false) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(m_mutex);
        tmp = is_first.load(std::memory_order_relaxed);
        if (tmp == false) {
            // can place any code that will run exactly once!
            m_instance = new Singleton;

            // store back the tmp atomically
            is_first.store(tmp, std::memory_order_release);
        }
    }
    return m_instance;
}

换句话说，我没有查看实例，而是使用原子布尔值来确保 DCLP 工作，并且第二个 tmp 内的任何内容都必须同步并运行一次。对吗？

谢谢！

编辑：请注意，我不是在问实现单例的问题，而只是为了更好地理解栅栏和原子的概念以及它如何修复 DCLP。这是一个理论问题。

Answer 1

如果我在“load()”中获取栅栏，但 tmp 不是 nullptr，我只是返回，会发生什么情况？我们不应该说明 CPU 可以在哪里“释放围栏”吗？

没有。当存储到m_instance 发生时，发布完成。如果你加载了m_instance 并且它不为空，那么这个版本已经在之前发生了，你不需要这样做。

您不会像获得互斥锁那样“获得栅栏”和“释放栅栏”。这不是栅栏。栅栏只是一个没有关联内存位置的获取或释放操作。而栅栏在这里并不重要，因为所有的获取和释放操作都有一个关联的内存位置（原子对象m_instance）。

您不必像互斥锁+解锁那样以匹配对的形式获取获取+释放。您可以执行一个释放操作来存储一个值，并进行任意数量的获取操作（零个或多个）来加载该值并观察其效果。

加载/存储的获取/释放语义与加载/存储任一侧的操作顺序相关，以防止重新排序。

对变量 A 的非松弛原子存储（即释放操作）将与同一变量 A 的稍后非松弛原子加载（即获取操作）同步。

正如 C++ 标准所说：

非正式地，在 A 上执行释放操作会强制在前侧 对其他内存位置的影响对稍后在 A 上执行消费或获取操作的其他线程可见。

因此，在您引用的 DCLP 代码中，m_instance.store(tmp, memory_order_release) 是对 m_instance 的存储，并且是释放操作。 m_instance.load(memory_order_acquire) 是来自 m_instance 的加载，是一个获取操作。内存模型说，非空指针的存储与任何看到非空指针的加载同步，这意味着可以保证new Singleton 的所有效果在任何线程可以加载非空之前完成来自tmp 的值。这修复了 C++11 之前的双重检查锁定问题，在该问题完全构造对象之前，tmp 的存储可能对其他线程可见。

换句话说，我没有查看实例，而是使用原子布尔值来确保 DCLP 工作，并且第二个 tmp 内的任何内容都必须同步并运行一次。对吗？

不，因为您在此处存储false：

        // store back the tmp atomically
        is_first.store(tmp, std::memory_order_release);

这意味着在下一次调用该函数时，您会创建另一个 Singleton 并泄漏第一个。应该是：

        is_first.store(true, std::memory_order_release);

如果你解决了这个问题，我认为它是正确的，但是在典型的实现中它使用更多的内存（sizeof(atomic<bool>)+sizeof(Singleton*) 可能超过sizeof(atomic<Singleton*>)），并且通过将逻辑分成两个变量（一个布尔值和一个指针）你让你更容易出错，就像你做的那样。因此，与原始指针相比，这样做没有任何优势，指针本身也用作布尔值，因为您直接查看指针，而不是查看某些可能未正确设置的布尔值。