C++ 中的易失性类

Question

我有一个关于 volatile 关键字的问题，我似乎找不到答案。

在我的应用程序中，我有作为线程之间的状态缓冲区共享的数据类，并且我需要从多个线程定期更新它。

类看起来像这样：

class CBuffer
{
    //Constructor, destructor, Critical section initialization/destruction
    //...

    volatile wstring m_strParam;
    //...
    void InterlockedParamSetter(const wstring &strIn);
    wstring InterlockedParamGetter();

    ParamSetter(const wstring &strIn);
    wstring ParamGetter();

    Lock();
    Unlock();
}

void CBuffer::InterlockedParamSetter(const wstring &strIn)
{
    Lock();
    const_cast<wstring>(m_strParam) = strIn;
    Unlock();
}

//... other f-ns

但编译器抱怨 const_cast 转换。

它几乎看起来像我滥用 volatile 关键字，但同时，我不能让参数在调用之间缓存，因为如果两个或三个线程分配它们，可能会出现问题。

如何用 C++ 编写线程/缓存安全类？

PS：到目前为止，锁定还不是瓶颈，而且锁定几乎都是单行的，因此从性能角度来看，序列化和锁定目前不是问题。当然，如果有更好的算法，我很乐意倾听。

编辑： 我仍然不清楚......

考虑这个例子（内联+链接时间代码生成）；

void Thread1Func()
{
    //Unrolled, inlined InterlockedParamSetter()
    EnterCriticalSection(&cs);
    WriteTo(CBuffer::m_strParam);//write to buffer, wstring not volatile, cache it
    LeavCriticalSection(&cs);
    //Unroll end

    //DoSomethingElse

    //!!!!Thread 2 does InterlockedParamSetter
    //which causes wstring::reserve and invalidates old pointers!!!!

    //Unrolled, inlined InterlockedParamSetter()
    EnterCriticalSection(&cs);
    WriteTo(CBuffer::m_strParam);//oh, good, we have a pointer to old buffer
    //cached in one of the registers, write to it -> access violation
    LeavCriticalSection(&cs);
    //Unroll end
}

Answer 1

在可移植代码中，易失性与多线程完全无关。

在 MSVC 中，作为扩展，易失性限定的简单本机类型（例如 int）可以与简单的读取和存储操作一起用于原子访问，但这不扩展到读-修改-写访问，例如i++或类类型的对象，例如std::string。

为了确保从多个线程安全访问 m_strParam 变量，每个线程必须在访问 m_strParam 之前锁定关联的互斥锁，然后再解锁。锁定/解锁将确保每个线程都能看到 m_strParam 的正确值——如果另一个线程通过下一个锁定修改了该变量，则不会对内部指针进行任何缓存。

如果正确使用锁，则不需要 volatile 限定符，也不需要使用 const_cast。

Answer 2

您应该 const_cast strIn 而不是 m_strParam：

m_strParam = const_cast<wstring> (strIn);

C++ 中没有关于线程/缓存安全类的普遍接受的习惯用法，因为当前流行的 C++ 标准对并发编程保持沉默。 易失性不保证任何原子性，并且在编写可移植的、线程安全的程序时毫无用处。请参阅以下链接：

• 应该 volatile 获取原子性和线程可见性语义？
• 易失性：对于多线程编程几乎没用

Answer 3

std::string （和 std::wstring）并不是设计为易失性的，我建议您不要以这种方式使用它。

确保线程安全的常用方法是在需要时使用互斥体、信号量并避免使用全局变量。

正如 Marcus Lindblom 提到的，锁定机制中通常有读/写栅栏，负责处理潜在的缓存问题。所以你应该是安全的。

Answer 4

无需使用易失性。 编译器内存屏障应该足够了。不过，仍然需要Lock/Unlock。也就是说，

class CBuffer
{
    //Constructor, destructor, Critical section initialization/destruction ...
    wstring m_strParam;
};

void CBuffer::InterlockedParamSetter(const wstring &strIn)    
{
    Lock();
    //compiler-specific memory barrier;
    m_strParam = strIn;
    //compiler-specific memory barrier;
    Unlock();
}

尽管在某些编译器上，当应用于诸如 wstring 之类的非基本类型时，volatile 关键字与内存屏障具有相同的含义。恰当的例子：VC++

用内存屏障标记内存
类似于用
易失性 (C++) 关键字。然而，一个
内存屏障更有效
因为...