C++ 构造函数线程安全

Question

假设我在构造函数中初始化了一个成员变量向量，并且该向量在其他几个成员函数中被读取（不写入其他任何地方）。我是否需要保护对向量的访问（包括在构造函数中），还是保证对象在用于其他线程之前将被完全初始化并刷新到主内存？

让我举个例子：

class A
{
public:
    A();
    void f1();
    void f2();
private:
    std::vector<int> v;
};

A::A()
{
    // do some setup work in v
    v.push_back(1);
}

// called from thread1
void A::f1()
{
    // some readonly work on v
    for (auto i : v) {
        // do something on i
    }
}

// called from thread2
void A::f2()
{
    // more readonly work on v
    if (v.empty()) {
        // do other work
    }
}

我需要在A::A()、A::f1() 和A::f2() 中锁定保护 v 吗？

Answer 1

对象是由单个线程创建的，因此在构造函数中运行涉及成员变量的代码时，您永远不必担心线程安全。但是，如果您在构造函数中使用静态变量，那么您可能需要在访问权限周围添加某种形式的锁定。

存在一种极端情况，即构造函数中的代码可以被多个线程调用，这就是当您使用placement new 时。例如，假设您在某处有一个缓冲区，并且您将在其中分配一个对象：

byte buffer[100];
Foo *foo = new (buffer) Foo;

在这里，除非您锁定对 new 的调用，否则两个或多个构造函数可以并行运行，因为它们针对同一块内存运行。然而，这是一个真正的特殊边缘情况，需要特殊处理（例如锁定新的布局）。

Answer 2

对象由单个线程构造。 其他线程只能通过实例引用访问对象。 换句话说，对象的构造函数将在其他线程调用方法之前完成它的工作。 因此，您不需要在构造函数中实现线程安全代码。

当然，如果另一个对象作为参数传递给构造函数，则在构造函数中最终访问该对象应该是线程安全的。

Answer 3

正如其他答案中所述，在构造函数中实现同步原语没有意义，但是如果您不进行外部同步，那并不意味着您不能参加比赛 ：

std::atomic<A*> g_ptr = nullptr;

void threadFun1() {
    g_ptr.store(new A{}, std::memory_order_relaxed);
}

void threadFun2() {
    A* l_ptr = nullptr;
    while (l_ptr == nullptr) {
        l_ptr = g_ptr.load(std::memory_order_relaxed);      
    }
    l_ptr->f1();
}

在上面的代码中，A 和 f1 的构造函数之间存在数据竞争。问题是 - 没有同步 - 从 thread2 的角度来看，g_ptr 可能在对象完全构造之前被写入。

但是，在构造函数中您无能为力来防止这种竞争。相反，您必须使用外部同步方式，例如对原子加载和存储操作使用非宽松内存排序，或者在设置全局变量后从 thread1 内启动 thread2。

Answer 4

以下代码示例：

model.h

namespace Stackoverflow {
    class Model {
    public:
        Model();
        ~Model();

        std::vector<int> *integers() const { return _integers.get(); }; // read only
    private:
        std::unique_ptr<std::vector<int>> _integers; // registered before constructor
    };
}

model.cpp

Stackoverflow::Model::Model() {
    _integers = std::make_unique<std::vector<int>>(); // initialized
}

Stackoverflow::Model::~Model() {
    _integers.release();
}

私有成员“_integers”将被注册，但在构造函数被调用者调用之前不会被初始化。

Stackoverflow::Model stackoverflow;

当另一个线程想要访问这个向量时，调用getter。

auto *vector = stackoverflow.integers();

当调用者实际请求向量时，成员将被完全初始化。