2022-08-04 C++并发编程（七）

• 前言
• 一、只需在初始化中保护的共享数据
• 二、对于读多，写极少的共享数据
• 三、递归加锁
• 总结

除了锁，C++还有其他方式保护共享数据，比如一些生成后就只读的数据，生成后极少更改的数据。

此外，还有一种可递归的锁，虽然极少使用，甚至不推荐使用。

我们设计程序时，可能用到延迟初始化，如下代码：

#include 
#include 
#include 
#include 

struct someResource
{
    void doSomething() const
    {
        std::cout << a << std::endl;
    }

    int a = 0;
};

std::shared_ptr resourcePtr;

void foo()
{
    if (!resourcePtr)
    {
        resourcePtr = std::make_shared();
    }
    resourcePtr->doSomething();
}

auto main() -> int
{}

为了将以上代码用于多线程，一般需要在判断语句前加锁：

std::shared_ptr resourcePtr;

void foo()
{
    std::unique_lock lk(resourceMutex);

    if (!resourcePtr)
    {
        resourcePtr = std::make_shared();
    }

    lk.unlock();

    resourcePtr->doSomething();
}

然而，其后果是由于所有线程都需要竞争锁，导致了多线程逻辑又回到单线程逻辑，除了徒添烦恼，没有什么卵用。

于是为了改进以上代码，实施了会导致 UB 的双检验：

std::shared_ptr resourcePtr;

void undefinedBehaviourWithDoubleCheckedLocking()
{
    if (!resourcePtr)
    {
        std::lock_guard lk(resourceMutex);
        if (!resourcePtr)
        {
            resourcePtr = std::make_shared();
        }
    }
    resourcePtr->doSomething();
}

如果上述代码中，智能指针指向对象的初始化是原子性的，问题不大，但如果分成两步，初始化指针指向的对象，操作指针指向对象，以达到最终可用状态，那么无论过程是否上锁，都会出现指针非空，但对象并未可用状态，然而其他线程已经开始使用此指针指向的对象数据了，这时一种隐蔽很深的逻辑错误。

为了改良设计，我们可以用 std::call_once() 函数进行初始化：

std::once_flag resourceFlag;
std::shared_ptr resourcePtr;

void initResource()
{
    resourcePtr = std::make_shared();
}

void fooInitOnce()
{
    std::call_once(resourceFlag, initResource);
    resourcePtr->doSomething();
}

auto main() -> int
{
    fooInitOnce();
    return 0;
}

同样，可以利用 std::call_once() 做线程安全的类成员数据延迟初始化。

例如取得连接很耗时，也只需一次，则可以在操作类函数，进行收或发数据时进行。

struct X
{
    explicit X(const connectionInfo &connectionDetails_)
        : connectionDetails(connectionDetails_)
    {}

    void sendData(const dataPacket &data)
    {
        std::call_once(connectionInitFlag, &X::openConnection, this);
        connection.sendData(data);
    }

    auto receiveData() -> dataPacket
    {
        std::call_once(connectionInitFlag, &X::openConnection, this);
        return connection.receiveData();
    }

  private:
    void openConnection()
    {
        connection = connectionManager.open(connectionDetails);
    }

    connectionInfo connectionDetails;
    connectionHandle connection;
    std::once_flag connectionInitFlag;
};

对于全局只需唯一单例的设计，C++11后一般用局部静态返回函数完成，不必用 std::call_once()

struct myClass
{
    int a = 0;
};

auto getMyClassInstance() -> myClass &
{
    static myClass instance;
    return instance;
}

局部静态变量，只初始化一次，且一直存在直至程序结束。

有些数据，一旦写入则极少更改，而且基本是只需要读，C++是否有能够锁写不锁读的锁呢？

有但只在至少C++14以上支持，读写锁或称共享锁 std::shared_mutex，通过 std::shared_lock 模板加锁，其他线程可共享持有 std::shared_lock，但一旦有线程要持有普通锁 std::lock_guard 则会阻塞，直到所有持有共享锁的线程释放。

反之只要一个线程持有普通锁，所有线程不可持有共享锁，直到普通锁释放。

注意，一般互斥变量要用mutable修饰，因为用锁的函数很可能是 const 成员函数。

#include 
#include 

首先，一般互斥变量 std::mutex 不可以重复加锁，但递归互斥变量 std::recursive_mutex 除外。

#include 

std::recursive_mutex m;

auto fn(int b) -> int
{
    std::lock_guard lk(m);
    if (b == 0)
    {
        return 0;
    }
    return b + fn(b - 1);
}

auto main() -> int
{
    int c = fn(5);
    return 0;
}

其次，一般来讲，用到递归锁，说明程序设计可能出了问题，比如一个类中的两个公有函数，两个函数都上锁，其中一个函数调用另一个函数，那就必然重复上锁，一般互斥锁会报错，而暴力的使用递归互斥就可以解决，但这明显不是递归锁的使用场景。

以上情况需要尽量避免。

对于只需初始化一次，后续不变的公有变量，我们 可以通过一次初始化而非一直加锁解决，对于读多写少的数据，可以使用读写锁解决。

对于可能出现的递归加锁，我们有相应的工具，但通常是设计出了问题，需要理清逻辑更改设计，而非简单粗暴的递归加锁。