Item 16 讓const成員函式做到執行緒安全

2022-07-16 23:33:23 字數 3252 閱讀 3246

本文翻譯自modern effective c++，由於水平有限，故無法保證翻譯完全正確，歡迎指出錯誤。謝謝！

如果我們在數學領域裡工作，我們可能會發現用乙個類來表示多項式會很方便。在這個類中，如果有乙個函式能計算多選式的根（也就是，多項式等於0時，各個未知量的值）將變得很方便。這個函式不會改變多項式，所以很自然就想到把它宣告為const：

class polynomial;
計算多項式的根代價可能很高，所以如果不必計算的話，我們就不想計算。如果我們必須要計算，那麼我們肯定不想多次計算。因此，當我們必須要計算的時候，我們將計算後的多項式的根快取起來，並且讓roots函式返回快取的根。這裡給出最基本的方法：

class polynomial


return rootvals;


}private:


mutable bool rootsarevalid;	//初始化的資訊看item 7


mutable rootstype rootvals{};


};
概念上來說，roots的操作不會改變polynomial物件，但是，對於它的快取行為來說，它可能需要修改rootvals和rootsarevalid。這就是mutable很經典的使用情景，這也就是為什麼這些成員變數的宣告帶有mutable。

現在想象一下有兩個執行緒同時呼叫同乙個polynomial物件的roots：

polynomuial p;


.../*-------- 執行緒1 -------- */		/*-------- 執行緒2 -------- */


auto rootsofp = p.roots();			auto valsgivingzero = p.roots();
客戶**是完全合理的，roots是const成員函式，這就意味著，它表示乙個讀操作。在多執行緒中非同步地執行乙個讀操作是安全的。至少客戶是這麼假設的。但是在這種情況下，卻不是這樣，因為在roots中，這兩個執行緒中的乙個或兩個都可能嘗試去修改成員變數rootsarevalid和rootvals。這意味著這段**在沒有同步的情況下，兩個不同的執行緒讀寫同一段記憶體，這其實就是data race的定義。所以這段**會有未定義的行為。

現在的問題是roots被宣告為const，但是它卻不是執行緒安全的。這樣的const宣告在c++11和c++98中都是正確的（取多項式的根不會改變多項式的值），所以我們需要更正的地方是執行緒安全的缺失。

解決這個問題最簡單的方式就是最常用的辦法：使用乙個mutex：

class polynomial


return rootvals;


}											//解開互斥鎖


private:


mutable std::mutex m;


mutable bool rootsarevalid;	


mutable rootstype rootvals{};


};
std::mutex m被宣告為mutable，因為對它加鎖和解鎖呼叫的都不是const成員函式，在roots（乙個const成員函式）中，如果不這麼宣告，m將被視為const物件。

值得注意的是，因為std::mutex是乙個move-only型別（也就是，這個型別的物件只能move不能copy），所以把m新增到polynomial中，會讓polynomial失去copy的能力，但是它還是能被move的。

在一些情況下，乙個mutex是負擔過重的。舉個例子，如果你想做的事情只是計算乙個成員函式被呼叫了多少次，乙個std::atomic計數器（也就是，其它的執行緒保證看著它的（counter的）操作不中斷地做完，看item 40）常常是達到這個目的的更廉價的方式。（事實上是不是更廉價，依賴於你跑**的硬體和標準庫中mutex的實現）這裡給出怎麼使用std::atomic來計算呼叫次數的例子：

class point 


private:


mutable std::atomiccallcount;


};
和std::mutex相似，std::atomic也是move-only型別，所以由於callcount的存在，point也是move-only的。

因為比起mutex的加鎖和解鎖，對std::atomic變數的操作常常更廉價，所以你可能會過度傾向於std::atomic。舉個例子，在乙個類中，快取乙個「計算昂貴」的int，你可能會嘗試使用一對std::atomic變數來代替乙個mutex：

class widget 


}private:


mutable std::atomiccachevalid ;


mutable std::atomiccachedvalue;


};
這能工作，但是有時候它會工作得很辛苦，考慮一下：

這樣的行為和我們使用快取的目的是相違背的。換一下cachedvalue和cachevalid賦值的順序可以消除這個問題（不斷進行重複計算），但是錯的更加離譜了：

class widget 


}	...


};
想象一下cachevalid是false的情況：

讓我們吸取教訓。對於單一的變數或者記憶體單元，它們需要同步時，使用std::atomic就足夠了，但是一旦你需要處理兩個或更多的變數或記憶體單元，並把它們視為乙個整體，那麼你就應該使用mutex。對於widget::magicvalue，看起來應該是這樣的：

class widget 


}												//解鎖m


...private:


mutable std::mutex m;


mutable int cachedvalue;					//不再是atomic了


mutable bool cachevalid ;


};
現在，這個item是基於「多執行緒可能同時執行乙個物件的const成員函式」的假設。如果你要寫乙個const成員函式，並且你能保證這裡沒有多於乙個的執行緒會執行這個物件的cosnt成員函式，那麼函式的執行緒安全就不重要了。舉個例子，如果乙個類的成員函式只是設計給單執行緒使用的，那麼這個成員函式是不是執行緒安全就不重要了。在這種情況下，你能避免mutex和std::atomic造成的負擔。以及免受「包含它們的容器將變成move-only」的影響。然而，這樣的自由執行緒（threading-free）變得越來越不常見了，它們還將變得更加稀有。以後，const成員函式的多執行緒執行一定會成為主題，這就是為什麼你需要確保你的const成員函式是執行緒安全的。

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