我有一個關於比賽條件和同時寫道的問題。比賽條件和解鎖寫
我有一個類，誰的對象是從不同的線程訪問。我想僅根據需要計算一些值並緩存結果。出於性能原因，我寧願不使用鎖（在任何人詢問之前 - 是的，在我的情況下是相關的）。
這構成了競爭條件。但是，這些對象是const的，不會被改變。所以如果不同的線程計算要緩存的值，它們在我的用例中保證是相同的。在不鎖定的情況下編寫這些值是否安全？或者，從更廣泛的角度來看，將不同鎖定的內容從不同線程寫入內存是否安全？
寫入的值是bool和double類型，有問題的架構可能是x86和ARM。
編輯：感謝大家的輸入。我終於決定找到一種不涉及緩存的方式。這種方法看起來很像'黑客'，並且存在使用標誌變量的問題。
正如你所說，這是一種競爭條件。在C++ 11下，它在技術上是數據競賽和未定義的行爲。沒有關係，值是相同的。
如果你的編譯器支持它（比如最近的GCC或GCC或MSVC我Just::Thread庫），那麼你可以使用std::atomic<some_pod_struct>，以提供圍繞你的數據的原子包裝（假設它是一個POD結構---如果它不是那麼你有更大的問題）。如果它足夠小，那麼編譯器將使它無鎖，並使用適當的原子操作。對於較大的結構，圖書館將使用鎖。
這樣做沒有原子操作或鎖的問題是知名度。雖然在x86或ARM上的處理器級別沒有問題，但是從多線程/處理器到同一內存寫入相同的數據（假設它實際上是字節 - 字節相同），考慮到這是一個緩存，我期望你會想要讀取這些數據，而不是重新計算它，如果它已經被寫入。因此，你需要某種標誌來表明完成。除非您使用原子操作，鎖定或合適的內存屏障指令，否則在數據執行之前，「準備就緒」標誌可能對另一個處理器可見。這會讓事情變得很糟糕，因爲第二個處理器現在讀取的是一組不完整的數據。
您可以使用非原子操作寫入數據，然後使用原子數據類型作爲標誌。在C++ 11下，這將產生合適的內存屏障和同步，以確保數據對於任何看到該標誌集的線程都可見。對於兩個線程來說，寫入數據仍然是未定義的行爲，但實際上它可能還行。
或者，將數據存儲在由執行計算的每個線程分配的堆內存塊中，並使用比較和交換操作來設置原子指針變量。如果比較和交換失敗，那麼另一個線程首先到達那裏，因此釋放數據。
被選爲用標記變量指出問題和需要內存屏障的最佳答案。 – 2012-04-04 13:06:46
@Anthony，C++數據競賽的技術含義與競爭條件的一般概念+1。 C++只規定了什麼是數據競爭和UB。因此，如果共享變量是C++ 11原子類型，那麼即使標記爲w/memory_order_relaxed排序，它也能保證數據競爭免費。該標準沒有提到一般的競賽條件概念，並沒有說在發生這種情況時存在UB。它完全依賴程序員添加propery同步原語來確保正確的語義。你同意嗎？ – 2014-08-29 02:50:42
@Anthony，還有一些人認爲C++ 11中仍然存在數據競爭，即使共享數據是具有輕鬆排序的原子類型。我很難嘗試向他們解釋這些概念（在語言和書中正確定義）。您可以看看[這篇文章]（https://groups.google.com/forum/#!topic/comp.lang.c++.moderated/1SN85LRbouw）並與我們分享您的意見嗎？謝謝。 – 2014-08-29 02:54:37
最終答案可能取決於您的數據結構。
在「非便攜式」領域，您可能需要查看compare and swap，大多數處理器會讓您在指針大小的實體上進行操作。要訪問您可以使用內聯彙編（在x86上，這些是lock cmpxchg指令），或者可能是GCC同步擴展。在看到一個未初始化的值時，每個線程都可以急切地進行初始化，併發出一個比較和交換來嘗試設置一個值。如果比較和交換失敗，則意味着另一個線程擊敗了它。
最終該操作的使用往往最終被實現自旋鎖，不過，你可能會尋找避免相當於...
部分數據結構將是（32位）ARM上的8字節雙精度，因此它們大於'指針大小的實體'。所以這不是一個選擇。 – 2012-04-03 17:39:31
@GabrielSchreiber - 這並不意味着它不是一個選項。例如，你可以初始化一個指向結構的指針，而不是結構本身。或者你可以有一個「伴侶」這個詞，它基本上作爲初始化的一個鎖定 - 來確定它是否已經被初始化過。但是，一般來說，如果他們一次只寫多個單詞，就會鼓勵你小心地把事情稱爲「原子」。 – asveikau 2012-04-03 17:42:50
@GabrielSchreiber - 我必須強調，如果你想讀取 - 修改 - 寫入操作是原子性的，比較和交換（或特定平臺的等價物;「load-link/store-conditional」是RISC版本）是非常漂亮的唯一的辦法就是走。 – asveikau 2012-04-03 17:54:58
你並不需要防止來自不同線程寫入POD變量，如果這些值將是相同的。但是，如果你有指針，你肯定應該做一個互鎖交換。
更新：爲了澄清您的情況，緩存和優化不會產生任何不利影響，因爲您正在所有線程上寫入完全相同的值。出於同樣的原因，您不需要製作變量volatile。唯一可能成爲問題的是如果變量未與機器的字大小對齊。有關更多詳細信息，請參閱https://stackoverflow.com/a/54242/677131。默認情況下，變量會自動對齊，但您可以明確更改對齊方式。
還有一種方法可以完全避免這個問題。由於變量將具有相同的值，可以在併發執行開始前預先計算它們的值，也可以讓每個線程擁有自己的副本。後者具有在NUMA機器上提供更好性能的優勢。
我必須說，使用鎖通常是這樣做的寫從多個線程相同的變量，即使數據比處理器字大不能是不安全的正確方法，但...
啓動尺寸。沒有過渡狀態，因爲至少有一個線程會完成寫入值，所以變量可能會被損壞。其他線程不會通過扭轉相同的值來改變它。
所以，如果有保證計算結果永遠是相同的，不管什麼線程，多線程沒有危險。在計算之前只需檢查一個標誌（「已經計算好？」）。多個線程將進入價值計算代碼，但一旦完成，當然沒有其他線程會再這樣做。顯然，n次做同樣的事情是浪費時間。這裏的問題是，將使用鎖定保存你的任何時間或相反？只有性能測試才能給你答案。除非有其他原因不使用鎖。
我懷疑C++會保證它，但至少在現代硬件上，很難想象會出現什麼問題。 – 2012-04-03 17:27:30
對原語的每個寫入操作都是原子操作，所以如果許多線程同時寫入相同的一組字段，它應該沒有區別。 – Alain 2012-04-03 17:28:22
「因此，如果不同的線程計算要緩存的值，它們在我的用例中保證是相同的」......這很奇怪。如果你能保證所寫的值是相同的，爲什麼要同時寫入它們？或者更好的是，爲什麼不止一次寫入它們？ – 2012-04-03 17:36:58