C++ 上的双重检查锁定：新建临时指针，然后将其分配给实例

Question

下面的单例实现有什么问题吗？

Foo& Instance() {
    if (foo) {
        return *foo;
    }
    else {
        scoped_lock lock(mutex);

        if (foo) {
            return *foo;
        }
        else {
            // Don't do foo = new Foo;
            // because that line *may* be a 2-step 
            // process comprising (not necessarily in order)
            // 1) allocating memory, and 
            // 2) actually constructing foo at that mem location.
            // If 1) happens before 2) and another thread
            // checks the foo pointer just before 2) happens, that 
            // thread will see that foo is non-null, and may assume 
            // that it is already pointing to a a valid object.
            //
            // So, to fix the above problem, what about doing the following?

            Foo* p = new Foo;
            foo = p; // Assuming no compiler optimisation, can pointer 
                     // assignment be safely assumed to be atomic? 
                     // If so, on compilers that you know of, are there ways to 
                     // suppress optimisation for this line so that the compiler
                     // doesn't optimise it back to foo = new Foo;?
        }
    }
    return *foo;
}

Answer 1

不，您甚至不能假设 foo = p; 是原子的。它可能会加载 32 位指针的 16 位，然后在加载其余部分之前将其交换出去。

如果此时另一个线程潜入并调用 Instance()，您就会被干掉，因为您的 foo 指针无效。

为了真正的安全性，您必须保护整个测试和设置机制，即使这意味着即使在构建指针之后也要使用互斥体。换句话说（我假设 scoped_lock() 当超出范围时会释放锁（我对 Boost 没什么经验）），比如：

Foo& Instance() {
    scoped_lock lock(mutex);
    if (foo != 0)
        foo = new Foo();
    return *foo;
}

如果你不想互斥锁（可能是出于性能原因），我过去使用的一个选项是在线程开始之前构建所有单例。

换句话说，假设您拥有该控制权（也可能没有），只需在启动其他线程之前在 main 中创建每个单例的实例即可。那么根本就不要使用互斥体。那时你不会遇到线程问题，你可以使用规范的“不关心线程”版本：

Foo& Instance() {
    if (foo != 0)
        foo = new Foo();
    return *foo;
}

并且，是的，这确实会使你的代码对于那些无法关心线程的人来说更加危险。费心去阅读你的 API 文档，但是（IMNSHO）他们应得的一切:-)

Answer 2

为什么不保持简单呢？

Foo& Instance()
{
    scoped_lock lock(mutex);

    static Foo instance;
    return instance;
}

编辑：在 C++11 中，线程被引入到语言中。以下是线程安全的。该语言保证实例仅在线程安全的情况下初始化一次。

Foo& Instance()
{
    static Foo instance;
    return instance;
}

所以它是懒惰地评估的。它的线程安全。非常简单。双赢/双赢/双赢。

Answer 3

这取决于您使用的线程库。如果您使用的是 C++0x，则可以使用原子比较和交换操作以及写入屏障来保证双重检查锁定有效。如果您正在使用 POSIX 线程或 Windows 线程，您可能可以找到一种方法来做到这一点。更大的问题是为什么？事实证明，单例通常是不必要的。

Answer 4

C++ 中的 new 运算符总是涉及两步过程：
1.) 分配与简单 malloc 相同的内存
2.) 调用给定数据类型的构造函数

Foo* p = new Foo;
foo = p;

上面的代码将使单例创建分为3步，这甚至容易受到您试图解决的问题的影响。

Answer 5

为什么不使用真正的互斥体来确保只有一个线程会尝试创建 foo？

Foo& Instance() {
    if (!foo) {
        pthread_mutex_lock(&lock);
        if (!foo) {
            Foo *p = new Foo;
            foo = p;
        }
        pthread_mutex_unlock(&lock);
    }
    return *foo;
}

这是一个带有免费读卡器的测试-测试-设置锁。如果您希望在非原子替换环境中保证读取安全，请将上面的内容替换为读写锁。

编辑：如果你确实想要免费读者，可以先写foo，然后写一个标志变量fooCreated = 1。检查 fooCreated != 0 是安全的；如果 fooCreated != 0，则 foo 被初始化。

Foo& Instance() {
    if (!fooCreated) {
        pthread_mutex_lock(&lock);
        if (!fooCreated) {
            foo = new Foo;
            fooCreated = 1;
        }
        pthread_mutex_unlock(&lock);
    }
    return *foo;
}

Answer 6

你的代码没有任何问题。在scoped_lock之后，该部分中将只有一个线程，因此第一个进入的线程将初始化foo并返回，然后第二个线程（如果有）进入，它将立即返回，因为foo不再为空。

编辑：粘贴简化的代码。

Foo& Instance() {
  if (!foo) {
    scoped_lock lock(mutex);
    // only one thread can enter here
    if (!foo)
        foo = new Foo;
  }
  return *foo;
}

Answer 7

感谢您的所有意见。在查阅了 Joe Duffy 的优秀书籍后， “Windows上的并发编程”，我现在认为我应该使用下面的代码。除了一些重命名和 InterlockedXXX 行之外，大部分代码来自他的书中。以下实现

1. 在临时指针和“实际”指针上使用：易失性关键字，以防止编译器进行重新排序。
2. InterlockedCompareExchangePointer 防止重新排序
   CPU。

所以，这应该是相当安全的（……对吧？）：

template <typename T>
class LazyInit {
public:
    typedef T* (*Factory)();
    LazyInit(Factory f = 0) 
        : factory_(f)
        , singleton_(0)
    {
        ::InitializeCriticalSection(&cs_);
    }

    T& get() {
        if (!singleton_) {
            ::EnterCriticalSection(&cs_);
            if (!singleton_) {
                T* volatile p = factory_();
                // Joe uses _WriterBarrier(); then singleton_ = p;
                // But I thought better to make singleton_ = p atomic (as I understand, 
                // on Windows, pointer assignments are atomic ONLY if they are aligned)
                // In addition, the MSDN docs say that InterlockedCompareExchangePointer
                // sets up a full memory barrier.
                ::InterlockedCompareExchangePointer((PVOID volatile*)&singleton_, p, 0);
            }
            ::LeaveCriticalSection(&cs_);
        }
        #if SUPPORT_IA64
        _ReadBarrier();
        #endif
        return *singleton_;
    }

    virtual ~LazyInit() {
        ::DeleteCriticalSection(&cs_);
    }
private:
    CRITICAL_SECTION cs_;
    Factory factory_;
    T* volatile singleton_;
};