对 STL 容器的安全并行只读访问

Question

我想从 并行 运行线程访问基于 STL 的容器只读。不使用任何用户实现的锁定。以下代码的基础是 C++11，并正确实现了该标准。

http://gcc.gnu.org/onlinedocs/libstdc++/manual/using_concurrency.html
http://www.sgi.com/tech/stl/thread_safety.html
http://www.hpl.hp.com/personal/Hans_Boehm/c++mm/threadsintro.html
http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/（current draft 或 N3337，本质上是 C++11，修正了小错误和错别字）

23.2.2 容器数据竞争 [container.requirements.dataraces]

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、 撕裂，前，后，数据，查找，下界，上界，相等范围， 在并且，除了在关联或无序关联容器中， 运算符[]。

尽管有 (17.6.5.9)，但仍需要实现 当包含对象的内容在 同一序列中的不同元素，除了vector，是 同时修改。

[ 注意：对于尺寸更大的向量 x 大于一，x[1] = 5 和 *x.begin() = 10 可以同时执行 没有数据竞争，但执行了 x[0] = 5 和 *x.begin() = 10 同时可能导致数据竞争。作为一般的例外 规则，对于 vector y，y[0] = true 可能与 y[1] 竞争 =真。 ——尾注]

和

17.6.5.9 避免数据竞争 [res.on.data.races] 1 本节规定了实现应满足的要求以防止数据竞争 比赛（1.10）。每个标准库函数都应满足每个 要求，除非另有规定。实施可能会阻止 除了下面指定的情况之外的数据竞争。

2 C++ 标准 库函数不得直接或间接访问对象 (1.10) 可由当前线程以外的线程访问，除非 对象通过函数的直接或间接访问 参数，包括这个。

3 C++ 标准库函数应 不直接或间接修改线程可访问的对象（1.10） 除了当前线程之外，除非直接访问对象 或间接通过函数的非常量参数，包括 这个。

4 [ 注意：例如，这意味着实现不能 将静态对象用于内部目的而无需同步 因为即使在不支持的程序中，它也可能导致数据竞争 在线程之间显式共享对象。 ——尾注]

5 C++ 标准库函数不得间接访问对象 可通过其参数或通过其容器的元素访问 参数，除非通过调用其规范所需的函数 在那些容器元素上。

6 获得的迭代器上的操作 调用标准库容器或字符串成员函数可能
访问底层容器，但不得修改它。 [注：在 特别是使迭代器无效的容器操作冲突 对与该容器关联的迭代器进行操作。 - 结尾 注意]

7 实现可以在它们之间共享它们自己的内部对象 如果对象对用户不可见且受保护，则线程 反对数据竞争。

8 除非另有说明，C++ 标准库 功能应仅在当前执行所有操作 如果这些操作具有可见的效果（1.10），则线程 用户。

9 [注意：这允许实现并行化操作 如果没有明显的副作用。 ——尾注]

结论
容器不是线程安全的！但是从多个并行线程对容器调用 const 函数 是安全的。因此可以在没有锁定的情况下从并行线程执行只读操作。 我说的对吗？

我假设他们不存在任何错误的实现，并且 C++11 标准的每个实现都是正确的。

示例：

// concurrent thread access to a stl container
// g++ -std=gnu++11 -o p_read p_read.cpp -pthread -Wall -pedantic && ./p_read
#include <iostream>
#include <iomanip>
#include <string>
#include <unistd.h>

#include <thread>
#include <mutex>

#include <map>

#include <cstdlib>
#include <ctime>
using namespace std;

// new in C++11
using str_map = map<string, string>;

// thread is new in C++11
// to_string() is new in C++11

mutex m;
const unsigned int MAP_SIZE = 10000;

void fill_map(str_map& store) {
    int key_nr;
    string mapped_value;
    string key;

    while (store.size() < MAP_SIZE) {
        // 0 - 9999
        key_nr = rand() % MAP_SIZE;

        // convert number to string
        mapped_value = to_string(key_nr);
        key = "key_" + mapped_value;

        pair<string, string> value(key, mapped_value);
        store.insert(value);
    }
}

void print_map(const str_map& store) {
    str_map::const_iterator it = store.begin();

    while (it != store.end()) {
        pair<string, string> value = *it;
        cout << left << setw(10) << value.first << right << setw(5) << value.second << "\n";
        it++;   
    }
}

void search_map(const str_map& store, int thread_nr) {
    m.lock();
    cout << "thread(" << thread_nr << ") launched\n";
    m.unlock();

    // use a straight search or poke around random
    bool straight = false;
    if ((thread_nr % 2) == 0) {
        straight = true;
    }

    int key_nr;
    string mapped_value;
    string key;
    str_map::const_iterator it;

    string first;
    string second;

    for (unsigned int i = 0; i < MAP_SIZE; i++) {

        if (straight) {
            key_nr = i;
        } else {
            // 0 - 9999, rand is not thread-safe, nrand48 is an alternative             
            m.lock();
            key_nr = rand() % MAP_SIZE;
            m.unlock();
        }

        // convert number to string
        mapped_value = to_string(key_nr);
        key = "key_" + mapped_value;

        it = store.find(key);

        // check result
        if (it != store.end()) {
            // pair
            first = it->first;
            second = it->second;

            // m.lock();
            // cout << "thread(" << thread_nr << ") " << key << ": "
            //      << right << setw(10) << first << setw(5) << second << "\n"; 
            // m.unlock();

            // check mismatch
            if (key != first || mapped_value != second) {
                m.lock();
                cerr << key << ": " << first << second << "\n"
                     << "Mismatch in thread(" << thread_nr << ")!\n";
                exit(1);

                // never reached
                m.unlock();
            }
        } else {
            m.lock();
            cerr << "Warning: key(" << key << ") not found in thread("
                 << thread_nr << ")\n";
            exit(1);

            // never reached
            m.unlock();
        }
    }
}

int main() {
    clock_t start, end;
    start = clock();

    str_map store;
    srand(0);

    fill_map(store);
    cout << "fill_map finished\n";

    // print_map(store);
    // cout << "print_map finished\n";

    // copy for check
    str_map copy_store = store;

    // launch threads
    thread t[10];
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        t[i] = thread(search_map, store, i);
    }

    // wait for finish
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        t[i].join();
    }
    cout << "search_map threads finished\n";

    if (store == copy_store) {
        cout << "equal\n";
    } else {
        cout << "not equal\n";
    }


    end = clock();
    cout << "CLOCKS_PER_SEC " << CLOCKS_PER_SEC << "\n";
    cout << "CPU-TIME START " << start << "\n";
    cout << "CPU-TIME END " << end << "\n";
    cout << "CPU-TIME END - START " << end - start << "\n";
    cout << "TIME(SEC) " << static_cast<double>(end - start) / CLOCKS_PER_SEC << "\n";

    return 0;
}

这段代码可以用 GCC 4.7 编译并在我的机器上运行良好。

$ 回声 $?
$ 0

Answer 1

C++11 规范第 1.10/4 节和 1.10/21 节中的数据争用需要至少两个线程对同一组内存位置进行非原子访问，这两个线程不同步关于访问一组内存位置，并且至少一个线程写入或修改一组内存位置中的元素。所以在你的情况下，如果线程只是读取，你很好......根据定义，因为没有线程写入同一组内存位置，即使没有明确的同步机制，也没有数据竞争线程。

Answer 2

是的，你是对的。只要填充向量的线程在读取器线程开始之前完成，您就是安全的。最近有a similar question。