使用原子的线程安全单例

Posted 2023-02-21

【中文标题】使用原子的线程安全单例

【英文标题】：Thread-safe singleton using atomic

【发布时间】：2020-07-22 07:35:28

【问题描述】：

只想知道atomic_flag = 1; 是否保持 myclass_st 分配线程安全。 （不好意思我的例子有这么多问题，所以改了。）

myClass* myclass_st = nullptr;
std::atomic<int> atomic_flag;
std::mutex mtx; //err
myClass* get_instance() 
    
    //std::unique_lock<std::mutex> lk(mtx);
    if (myclass_st == nullptr) 
        mtx.lock();
        if (myclass_st == nullptr) 
            myclass_st = new myClass();
            atomic_flag = 1;
            mtx.unlock(); //err
        
    
    return myclass_st;

我知道我们可以在 c11 之后使用static 。

也许我应该像这样修改代码？

myClass* myclass_st = nullptr;
std::atomic<int> atomic_flag;
myClass* get_instance() 

    if (atomic_flag.load() == 0) 
        std::unique_guard<std::mutex> lk(mtx);
        if (atomic_flag.load() == 0) 
            myclass_st = new myClass();
            atomic_flag = 1;
        
    
    return myclass_st;

【问题讨论】：

在 unique_lock 之后，互斥锁已经被锁定。您的显式锁定和解锁不一致。

unique_lock 更好，因为一旦抛出异常或超出范围，unique_lock 将展开并解锁线程。但是std::mutex 不是。

互斥锁对线程安全没有任何作用，每次调用get_instance都会生成一个新的mtx，所以它不会同步任何东西。另外，如果从未检查过，为什么还要使用原子标志？

您正在检查非原子myclass_st，而另一个线程（已锁定互斥锁）可以修改它。你需要检查atomic_flag。

您为什么认为atomic_flag = 1 会使myclass_st 分配线程安全？

【参考方案1】：

显示的代码不是线程保存的，因为std::mutex mtx; 每次都是一个新对象。 std::mutex mtx; 必须是 static so that it is the same mutex for each invocation of get_instance`，但即便如此，手动锁定和解锁互斥锁在当前表单中也无效。

EDIT 将std::mutex mtx; 移出函数后，对于get_instance 的每次调用，互斥锁都是相同的。但它仍然不是线程保存。多个线程可以通过第一个if (myclass_st == nullptr) 条件，其中myclass_st 是nullptr。如果有例如超过三个线程通过第一个if 然后第一个调用lock 的线程将设置myclass_st 并释放它对互斥锁的锁定。调用lock 的第二个线程不会释放其获得的锁，因此通过第一个if 的所有其他线程都将被阻塞。

必须是：

myClass* get_instance() 
    mtx.lock();
    if (myclass_st == nullptr) 
      myclass_st = new myClass();
      atomic_flag = 1;
    
    mtx.unlock();
    return myclass_st;

您通常希望使用具有自动存储持续时间（RAII 习惯用法）的锁守卫来进行锁定，而不是手动锁定和解锁，因为这样可以确保在离开 get_instance 时始终释放互斥锁上的锁。

myClass* get_instance() 
    std::lock_guard<std::mutex> lk(mtx);
    if (myclass_st == nullptr) 
      myclass_st = new myClass();
      atomic_flag = 1;
    
    return myclass_st;

编辑 不，第一个和第二个示例都不是线程保存。对于您展示的第二个示例，if (atomic_flag.load() == 0) /** ... **/ atomic_flag = 1; 仍然可以由两个线程输入。所以new myClass 仍然可以重复多次。

【讨论】：

第二个例子是最佳实践 (RAII)。如果new 失败或构造函数失败，第一个示例将无法解锁mtx。

谢谢。这是安全的。但是每个线程都必须获得互斥锁。成本很高。

@Anna 这不是你最初的问题。正如我在评论中已经提到的那样，您不断改变您的问题及其范围。最初，您询问您在初始问题中显示的代码和第一次编辑是否是线程保存。

Err.. 我只是想专注于如何使 new 原子化。有些问题与我想知道的无关。所以我改变了。我会换个问题。谢谢。

【参考方案2】：

只想知道 atomic_flag = 1;保持 myclass_st 分配线程安全与否。

没有。

也许我应该像这样修改代码？

myClass* myclass_st = nullptr;
std::atomic<int> atomic_flag;
myClass* get_instance() 

    if (atomic_flag.load() == 0) 
        myclass_st = new myClass();
        atomic_flag = 1;
    
    return myclass_st;

如果你打算 get_instance 被多个线程调用，那么不会。

我猜你想要：

myClass* myclass_st = nullptr;
std::atomic<int> atomic_flag0;
std::mutex mtx;
myClass* get_instance() 
    if (atomic_flag == 0) 
        std::unique_lock<std::mutex> lk(mtx);
        if (myclass_st == nullptr) 
            myclass_st = new myClass();
            atomic_flag = 1;
        
    
    return myclass_st;