有啥可以使静态布尔线程安全的吗？

Posted 2023-02-16

【中文标题】有啥可以使静态布尔线程安全的吗？

【英文标题】：Is there anything that would make a static bool thread safe?有什么可以使静态布尔线程安全的吗？

【发布时间】：2021-09-20 00:49:33

【问题描述】：

我最近遇到了一些运行良好的代码，其中 static bool 在多个线程（单个写入器，多个接收器）之间共享，尽管没有同步。

类似的东西（简化）：

//header A
struct A 
   static bool f;
   static bool isF()  return f; 
;

//Source A
bool A::f = false;

void threadWriter()
    /* Do something */
    A::f = true;


// Source B
void threadReader()
   while (!A::isF())  /* Do something */

对我来说，这种代码有一个竞争条件，即使 bool 上的操作是原子的（在大多数 CPU 上），我们不能保证来自写入线程的写入对读取线程是可见的。但有些人告诉我，f 是static 会有所帮助。

那么，C++11 中有什么东西可以使这段代码安全吗？或者任何与静态相关的东西可以使这段代码工作？

【问题讨论】：

不，这段代码会导致 UB。

std::atomic?此外，即使您的 bool 是原子的，调用 isF() 来读取它也可能不是。

这是一种老派的态度，可能并不准确，但我一直坚信，如果它需要线程安全，就需要互斥体。我会关注是否有人发布更好的答案。

@JosephLarson -- std::atomic<T> 在单个对象上提供线程安全操作。如果这足够了，就不需要互斥体，而且原子操作可能会更快。

其实我不太明白这个问题。是不是“这段代码有异味，但它有效。为什么？”还是“这段代码有异味，如何解决？”

【参考方案1】：

您的硬件可能能够以原子方式在bool 上运行。但是，这并不能使此代码安全。就 C++ 而言，您在不同的线程中写入和读取 bool 没有同步，这是未定义的。

将bool 设为静态不会改变这一点。

要以线程安全的方式访问bool，您可以使用std::atomic<bool>。 atomic 是否使用互斥锁或其他锁定取决于实现。

尽管std::atomic<bool> 也不足以同步threadReader() 和threadWriter()，以防每个/*Do something */ 访问相同的共享数据。

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但有些人告诉我，f 是静态的这一事实会有所帮助。

坦率地说，这听起来像是对货物的***。我可以想象这与静态局部变量的初始化是线程安全的事实混淆了。来自cppreference：

如果多个线程尝试初始化相同的静态本地 变量并发，初始化只发生一次（类似 可以使用 std::call_once 获得任意函数的行为。

注意：此功能的通常实现使用 双重检查锁定模式，它减少了运行时开销 已经初始化的局部静态变量为单个非原子布尔值 比较。

查找 Meyers 单例以查看该示例。虽然，这仅仅是关于初始化。例如这里：

 int& foo() 
     static int x = 42;
     return x;
 

两个线程可以同时调用这个函数，x 将被初始化一次。这对x 本身的线程安全没有影响。如果两个线程调用foo，一个写入另一个读取x，则存在数据竞争。但是，这是关于静态局部变量的初始化，与您的示例无关。当他们告诉你static 会“帮助”时，我不知道他们是什么意思。

【讨论】：

这都是正确的。但即使使用std::atomic<bool>，代码也包含其他错误。使用std::atomic<bool> 并不能充分防止threadWriter 和threadReader 之间的竞争条件。一方面，threadWriter 需要以某种方式等待没有活动的threadReader。

@FrançoisAndrieux 没有使用store 和load 足够的同步？抱歉，我不确定我是否完全理解代码（以及您的评论）

这里的关键是“hardware may be able to atomically operation on a bool”中的“atomically”与std::atomic<bool>中的“atomically”不一样，支持在@987654348上进行原子操作@ 目的。 std::atomic 从 C++ 语言的角度管理潜在的数据竞争，并确保没有数据竞争。

@PeteBecker 这基本上就是我想说的，只是措辞更好；）

@463035818_is_not_a_number 足以避免UB访问flag。但是问题中使用的方案不会同步threadWriter 和threadReader 操作的数据（假设它们接触相同的数据）。如果一个线程调用threadWriter，而另一个线程正在运行threadReader，那么没有什么可以阻止共享数据的竞争。