从 std::deque 线程并发调用 emplace_back() 和 operator[]() 是否安全？

Question

来自emplace_back()的文档摘录：

• 迭代器有效性

与此容器相关的所有迭代器都已失效，但指针和引用仍然有效，引用它们在调用之前引用的相同元素。

• 数据竞赛

容器被修改。

调用不会访问包含的元素：同时访问或修改它们是安全的（尽管请参阅上面的迭代器有效性）。

还有来自operator[]()的文档摘录：

• 数据竞赛

容器被访问（const 和 non-const 版本都不会修改容器）。

元素 n 可能被访问或修改。同时访问或修改其他元素是安全的。

那么，鉴于 deque 的某个实例至少有一个元素，通过operator[]() 访问它并同时在容器上调用emplace_back() 确实是线程安全的？

我倾向于说是，但无法确定emplace_back() 的文档中的“访问”是否包括使用operator[]()，如下所示：

int access( std::deque< int > & q )
{
    return q[ 0 ];
}

void emplace( std::deque< int > & q , int i )
{
    q.emplace_back( i );
}

同时调用两个函数，或者“访问”仅适用于已获取某些引用或指针的元素：

std::deque< int > q { 1 };

auto * ptr = & q[ 0 ]

std::thread t1 ( [ ptr  ]{ * ref = 0; } );
std::thread t2 ( [ & q ]{ q.emplace_back( 2 ); } );

编辑：为了进一步参考，以下是 C++ 14 标准（实际上是 November 2014 Working Draft, N4296）关于在 deque 中插入关于引用和迭代器有效性的声明：

• 23.3.3.4 双端队列修饰符

(...)

1. 效果：在双端队列中间插入会使所有迭代器和对双端队列元素的引用无效。在双端队列的任一端插入都会使双端队列的所有迭代器无效，但不会影响对双端队列元素的引用的有效性。

(...)

Answer 1

同时调用标准类的对象上的任何两个方法都是不安全的，除非两者都是const，或者除非另有说明（例如std::mutex::lock() 的情况）。对此进行了更详细的探讨here

因此，同时使用emplace_back 和operator[] 是不安全的。但是，由于您引用的引用/指针有效性规则，您可以安全地使用先前获得的对 deque 元素的引用和对 emplace_back/push_back 的调用，例如：

int main()
{
    std::deque<int> d;
    d.push_back(5);
    auto &first = d[0];
    auto task = std::async(std::launch::async, [&] { first=3; });
    d.push_back(7);
    task.wait();
    for ( auto i : d )
        std::cout << i << '\n';
}

这将安全地输出 3 和 7。请注意，引用 first 是在启动异步任务之前创建的。

Answer 2

编辑说明：这个答案的结论是不正确的 [] 和 emplace_back 可以安全地同时使用。 Arne 的回答是正确的。由于 cmets 很有用，所以将其留在这里而不是删除。

Edit2：嗯，从技术上讲，我没有做出这个结论，但它有点暗示。 Arne's 是更好的答案。

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尽管我并不完全相信来源，但该文档似乎在说的是，只要您不通过迭代器进行并发访问 other 值，它就是线程安全的。

出现这种情况的原因是emplace_back 不会以任何方式触及其他值。如果容量太低而无法添加另一个元素，则会分配一个新页面。这不会影响其他元素。所以通过其他线程使用这些值是安全的。它永远不会导致数据竞争，因为没有访问/修改相同的数据。

容器不需要以任何方式是线程安全的。这就像在修改a[1] 时访问a[0]。只要您正确访问/修改该数据（不要导致 UB），它就是安全操作。您不需要任何锁来保护，因为您没有同时使用相同的数据。

我更关心的是size。这很可能是deque 中的一个值，由emplace 修改并由size 读取。如果没有保护，这将导致数据竞争。文档对此只字未提，只涉及元素的访问，当然可以同时调用size。

根据this answer，标准容器除了上述之外没有任何关于线程安全的保证。换句话说，您可以同时访问/修改 不同 元素，但其他任何事情都可能导致数据竞争。然而换句话说，标准容器不是线程安全的，也不提供任何并发保护。