如何在C中实现线程安全引用计数

Question

如何使用 C++ 编程语言在 X86 CPU 上实现高效且线程安全的引用计数系统？

我总是遇到这样的问题：关键操作不是原子的，并且可用的 X86 Interlock 操作不足以实现引用计数系统。

以下文章介绍了此主题，但需要特殊的 CPU 指令：

http://www.ddj.com/architect/ 184401888

Answer 1

ddj 文章中发布的特定代码增加了额外的复杂性，以解决使用智能指针时出现的错误。

具体来说，如果您不能保证智能指针在分配给另一个智能指针时不会发生变化，那么您就做错了，或者一开始就做了一些非常不可靠的事情。 如果智能指针在分配给另一个智能指针时可以更改，则意味着执行分配的代码不拥有该智能指针，这从一开始就值得怀疑。

Answer 2

如果指令本身不是原子的，那么您需要将更新适当变量的代码部分设置为关键部分。

ie 您需要通过使用某种锁定方案来防止其他线程进入该代码段。 当然，锁必须是原子的，但您可以在 pthread_mutex 类中找到原子锁定机制。

效率问题：pthread 库尽可能高效，并且仍然保证互斥锁对于操作系统来说是原子的。

贵吗：大概。 但凡是需要保证的事情都是有成本的。

Answer 3

Win32 InterlockedIncrementAcquire 和 InterlockedDecrementRelease （如果你想安全并关心可能重新排序的平台，因此你需要同时发出内存屏障）或 InterlockedIncrement 和 InterlockedDecrement （如果你确定你将保持 x86），是原子的并且将做这份工作。

也就是说，Boost/TR1的shared_ptr<> 将为您处理所有这些，因此除非您需要自己实现它，否则您可能会尽力坚持它。

Answer 4

请记住，锁定的成本非常高，每次在智能指针之间传递对象时都会发生这种情况 - 即使该对象当前由一个线程拥有（智能指针库不知道这一点）。

鉴于此，这里可能有一条适用的经验法则（我很高兴得到纠正！）

如果以下情况适用于您：

• 您有复杂的数据结构，很难为其编写析构函数（或者 STL 样式值根据设计，语义是不合适的），因此您需要智能指针来为您完成此操作，并且
• 您正在使用共享这些对象的多个线程，并且
• 您关心性能和正确性

......那么实际的垃圾收集可能是更好的选择。 尽管 GC 在性能方面名声不佳，但这都是相对的。 我相信它与锁定智能指针相比非常有利。 这是 CLR 团队选择真正的 GC 而不是使用引用计数的一个重要原因。 请参阅本文，特别是如果您正在进行计数：

无引用计数：

a = b;

引用计数：

if (a != null)
    if (InterlockedDecrement(ref a.m_ref) == 0)
            a.FinalRelease();

if (b != null)
    InterlockedIncrement(ref b.m_ref);

a = b;

Answer 5

在 VC++ 中，您可以使用 _InterlockedCompareExchange。

do
   read the count
   perform mathematical operation
   interlockedcompareexchange( destination, updated count, old count)
until the interlockedcompareexchange returns the success code.

在其他平台/编译器上，对 MS 的 _InterlockedCompareExchange 公开的 LOCK CMPXCHG 指令使用适当的内部函数。

Answer 6

严格来说，您需要等到 C++0x 才能用纯 C++ 编写线程安全代码。

现在，您可以使用 Posix，或者围绕比较和交换和/或互锁增量/减量创建您自己的独立于平台的包装器。

Answer 7

现在，您可以使用Boost/TR1的shared_ptr<> 智能指针来保持你的引用计数引用。

效果很好； 没有大惊小怪，没有混乱。 该shared_ptr<> 类负责引用计数所需的所有锁定。