相对于包含对象的 C++ 标准库容器线程安全答案

【问题标题】：C++ Standard Library container thread-safety with respect to contained objects相对于包含对象的 C++ 标准库容器线程安全
【发布时间】：2014-01-17 02:12:54
【问题描述】：

我的问题是，无论线程如何访问包含的对象，向量、集合、队列、映射、多映射等容器是否提供标准的线程安全保证（即并发线程可以调用 const 方法等） .

简单地说：如果你锁定一个地图以供读取，只要你不插入，你能安全地（就地图而言）修改包含的对象（在这种情况下是值）或删除项目或以其他方式在地图上调用非常量方法？

【问题讨论】：

标签： c++ multithreading c++-standard-library

【解决方案1】：

我的问题是，无论线程如何访问包含的对象，向量、集合、队列、映射、多映射等容器是否提供标准的线程安全保证（即并发线程可以访问 const 成员等） .

不，不是“无论如何”。给定“并发线程 [访问] const 成员” [容器]，它们可以获得对存储元素的 const 访问权限，但容器无法对不合法的对象执行任何操作，如果对象是例如局部变量 - 即您不能以线程不安全的方式调用影响可变或静态变量的方法。

简单地说：如果你锁定一个地图以供读取，只要你不插入，你能安全地（就地图而言）修改包含的对象（在这种情况下是值）或删除项目或以其他方式在地图上调用非常量方法？

如果“锁定地图以供读取”是指您的程序具有单独的读/写锁并在访问地图之前获得“读者”锁定状态，那么不 - 如果其他读者无法修改包含的对象可能正在访问它们。为了确保安全，您需要一个围绕映射使用的互斥锁，就像线程在局部变量上操作一样。

示例

下面，一个空行分隔示例，第一列和第二列列出了来自两个线程的命令，它们可以按顺序执行或同时执行。请注意，仅仅因为某些东西是“安全”的执行并不意味着更新将在其他线程中可见，直到完成一些显式的内存屏障或缓存刷新操作 - 这取决于您的硬件：“正确的”互斥锁/rwlocks等。倾向于照顾它。

class X { int n_; std::string s_; } x;

std::vector<X> v = ...;
std::map<int,X> m = ...;

thread 1                thread 2                  safe?

v.push_back(...);       ++v[0].n_;                Precondition: 1 <= size() < capacity()
                                                  (i.e. safe iff v[0] can't be moved)

v.some-const-member();  v.another-const-member(); YES - e.g. [n], find(), begin()

v[0].s_ = "hi";         std::cout << v[0].s_;     NO - as for any string var

v[0].s_.size();         std::cout << v[0].s_;     YES - as for any string var

rw_lock.r_lock() LOCKED
iterator i = m.find(7); rw_lock.w_lock() BLOCK
rw_lock.r_unlock()      ....
                        LOCKED
std::cout << i->second; m.insert(...);            YES - insert can't invalidate i
i->second.n_ += 3;      m.find(7).n_ -= 3;        NO - as per any int var

【讨论】：

感谢您的详细示例。我的问题实际上与您的最后一个问题很接近。无论n_ += 3 或n_ -= 3（包含的对象）的安全性如何，m（容器）仍然提供相同的保证，对吗？
好的，让我们更明确一点。下面安全吗？ std::map<int, pthread_mutex_t> m2; void my_thread(int x) { rw_lock.r_lock(); pthread_mutex_lock(m2.find(x).second); rw_lock.r_unlock(); }
@nccc: 是的，这很安全（假设显然其他线程也在他们的访问中使用rw_lock，并且找到了x，而忽略了它应该是find(x)->...； -))。有了map，没有rw_lock 就不会安全的事情包括例如.clear() 和 .erase 对该特定节点的操作，以及为仍在插入的 x 调用 my_thread(x)，因为树节点可能未完全链接和/或互斥锁本身可能未正确初始化却让pthread_mutex_lock() 打电话很危险....

【解决方案2】：

我认为C++11 STL containers and thread safety 可能已经回答了这个问题。只要你能保证你的线程永远不会访问彼此相同的元素，那么它们就可以对它们做任何他们喜欢的事情。容器本身不保证线程安全。

【讨论】：

【解决方案3】：

不保证 STL 容器是线程安全的。

并发读取是可以的（您不要更改容器中的元素或容器的任何属性）。

还要注意迭代器验证，某些函数会使部分或全部迭代器失效。（你可以从 cplusplus 或 cppreference 中找到信息）

只要在访问容器之前锁定容器（使用互斥锁来保护容器），它就是安全的。如果你需要更好的性能，你可能需要实现一个 rw_lock。

【讨论】：