随机数生成器的 C++11 线程安全

Question

在 C++11 中有一堆新的随机数生成器引擎和分布函数。它们是线程安全的吗？如果您在多个线程之间共享单个随机分布和引擎，它是否安全并且您仍然会收到随机数？我正在寻找的场景类似于，

void foo() {
    std::mt19937_64 engine(static_cast<uint64_t> (system_clock::to_time_t(system_clock::now())));
    std::uniform_real_distribution<double> zeroToOne(0.0, 1.0);
#pragma omp parallel for
    for (int i = 0; i < 1000; i++) {
        double a = zeroToOne(engine);
    }
}

使用 OpenMP 或

void foo() {
    std::mt19937_64 engine(static_cast<uint64_t> (system_clock::to_time_t(system_clock::now())));
    std::uniform_real_distribution<double> zeroToOne(0.0, 1.0);
    dispatch_apply(1000, dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_HIGH, 0), ^(size_t i) {
        double a = zeroToOne(engine);
    });
}

使用 libdispatch。

Answer 1

C++11 标准库是广泛的线程安全的。 PRNG 对象的线程安全保证与容器相同。更具体地说，由于 PRNG 类都是伪-随机的，即它们基于确定的当前状态生成确定性序列，因此实际上没有空间可以窥视或戳穿包含状态之外的任何内容（这对用户也是可见的）。

就像容器需要锁才能安全共享一样，您也必须锁定 PRNG 对象。这将使它变得缓慢且不确定。每个线程一个对象会更好。

§17.6.5.9 [res.on.data.races]：

1 本节规定了实现应满足的要求 防止数据竞争（1.10）。每个标准库函数都应 除非另有说明，否则满足每项要求。实现可能 防止在以下指定之外的情况下出现数据竞争。

2 C++ 标准库函数不得直接或间接 由当前线程以外的线程访问的访问对象（1.10） 线程，除非对象直接或间接通过 函数的参数，包括 this。

3 C++ 标准库函数不得直接或间接 修改当前线程以外的线程可访问的对象（1.10） 线程，除非对象直接或间接通过 函数的非 const 参数，包括 this。

4 [注意：例如，这意味着实现不能使用 用于内部目的的静态对象，无需同步，因为它 即使在未明确共享的程序中也可能导致数据竞争 线程之间的对象。 ——尾注]

5 C++ 标准库函数不得间接访问对象 可通过其参数或通过其容器的元素访问 参数，除非通过调用其规范所需的函数 在那些容器元素上。

6 调用标准库获得的迭代器上的操作 容器或字符串成员函数可以访问底层 容器，但不得对其进行修改。 [注：特别是容器 使迭代器无效的操作与 与该容器关联的迭代器。 ——尾注]

7 实现可以在线程之间共享它们自己的内部对象 如果对象对用户不可见并且受到数据保护 比赛。

8 除非另有规定，C++ 标准库函数应 仅在当前线程内执行所有操作，如果那些 操作具有对用户可见的效果 (1.10)。

9 [注意：这允许实现并行化操作，如果 没有明显的副作用。 ——尾注]

Answer 2

标准（好吧N3242）似乎没有提到随机数生成是无种族的（除了rand 不是），所以它不是（除非我错过了什么）。此外，让它们线程保存确实没有意义，因为它会产生相对较大的开销（至少与数字本身的生成相比），而不会真正赢得任何东西。

此外，我并没有真正看到拥有一个共享随机数生成器的好处，而不是每个线程都有一个，每个线程的初始化略有不同（例如，来自另一个生成器的结果或当前线程 ID）。毕竟你可能不依赖生成器在每次运行时生成特定的序列。所以我会把你的代码改写成这样（对于openmp，对libdispatch一无所知）：

void foo() {
    #pragma omp parallel
    {
    //just an example, not sure if that is a good way too seed the generation
    //but the principle should be clear
    std::mt19937_64 engine((omp_get_thread_num() + 1) * static_cast<uint64_t>(system_clock::to_time_t(system_clock::now())));
    std::uniform_real_distribution<double> zeroToOne(0.0, 1.0);
    #pragma omp for
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            double a = zeroToOne(engine);
        }
    }
}

Answer 3

documentation 没有提到线程安全，所以我认为它们不是线程安全的。