解释双重检查锁定中的竞争条件

Question

void undefined_behaviour_with_double_checked_locking()
{
    if(!resource_ptr)                                    #1
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lk(resource_mutex);  #2
        if(!resource_ptr)                                #3
        {
           resource_ptr.reset(new some_resource);        #4
        }
    }
    resource_ptr->do_something();                        #5
}

如果一个线程看到另一个线程写入的指针，它可能看不到 查看新创建的 some_resource 实例，导致调用 do_something() 对不正确的值进行操作。这是一个例子 C++ 标准定义为数据竞争的竞争条件类型， 因此指定为未定义的行为。

问题>我已经看到了上面关于为什么代码具有导致竞争条件的双重检查锁定问题的解释。但是，我仍然很难理解问题所在。也许具体的两线程分步工作流程可以帮助我真正理解上述代码的竞争问题。

书中提到的解决方案之一如下：

std::shared_ptr<some_resource> resource_ptr;
std::once_flag resource_flag;

void init_resource()
{
    resource_ptr.reset(new some_resource);
}
void foo()
{
    std::call_once(resource_flag,init_resource); #1
    resource_ptr->do_something();
}
#1 This initialization is called exactly once

欢迎任何评论 -谢谢

Answer 1

在这种情况下（取决于 .reset 和 ! 的实现），当线程 1 初始化 resource_ptr 时可能会出现问题然后暂停/切换。然后线程 2 出现，执行第一次检查，发现指针不为空，并跳过锁定/完全初始化检查。然后它使用部分初始化的对象（可能会导致不好的事情发生）。然后线程 1 返回并完成初始化，但为时已晚。

部分初始化的 resource_ptr 之所以可能，是因为允许 CPU 重新排序指令（只要它不改变单线程行为）。因此，虽然代码看起来应该完全初始化对象，然后将其分配给 resource_ptr，但优化后的汇编代码可能会执行完全不同的操作，并且 CPU 也不能保证运行汇编指令按照二进制中指定的顺序排列！

结论是，当涉及多个线程时，内存栅栏（锁）是保证事情按正确顺序发生的唯一方法。

Answer 2

最简单的问题场景是 some_resource 的初始化不依赖于 resource_ptr 的情况。在这种情况下，编译器可以在完全构造 some_resource 之前为 resource_ptr 赋值。

例如，如果您认为 new some_resource 的操作由两个步骤组成：

• 为 some_resource 分配内存
• 初始化 some_resource （对于本次讨论，我将做出简化的假设，即此初始化不能引发异常）

然后您可以看到编译器可以将互斥保护的代码部分实现为：

1. allocate memory for `some_resource`
2. store the pointer to the allocated memory in `resource_ptr`
3. initialize `some_resource`

现在很明显，如果另一个线程在步骤2和3，那么在 some_resource 尚未初始化时可以调用 resource_ptr->do_something() 。

请注意，在某些处理器架构上，这种重新排序也可能在硬件中发生，除非存在适当的内存屏障（并且此类屏障将由互斥体实现）。