c++ - 使用 volatile 在 C++ 98/03 中实现双重检查锁定

Question

阅读 this关于 C++ 中的双重检查锁定模式的文章，我到达了作者演示使用 volatile 变量“正确”实现 DCLP 的尝试之一的地方(第 10 页):

class Singleton {
public:
  static volatile Singleton* volatile instance();

private:
  static volatile Singleton* volatile pInstance;
};

// from the implementation file
volatile Singleton* volatile Singleton::pInstance = 0;
volatile Singleton* volatile Singleton::instance() {
  if (pInstance == 0) {
    Lock lock;
    if (pInstance == 0) {
      volatile Singleton* volatile temp = new Singleton;
      pInstance = temp;
    }
  }
  return pInstance;
}

在这样的例子之后有一个我不明白的文本片段:

First, the Standard’s constraints on observable behavior are only for an abstract machine defined by the Standard, and that abstract machine has no notion of multiple threads of execution. As a result, though the Standard prevents compilers from reordering reads and writes to volatile data within a thread, it imposes no constraints at all on such reorderings across threads. At least that’s how most compiler implementers interpret things. As a result, in practice, many compilers may generate thread-unsafe code from the source above.

及以后:

... C++’s abstract machine is single-threaded, and C++ compilers may choose to generate thread-unsafe code from source like the above, anyway.

这些评论与单处理器上的执行有关，因此绝对与缓存一致性问题无关。

如果编译器无法在一个线程内重新排序读取和写入 volatile 数据，它如何为这个特定示例重新排序跨线程的读取和写入，从而生成线程-不安全的代码？

Answer 1

指向单例的指针可能是易变的，但单例内的数据不是。

假设 Singleton 有 int x, y, z; 作为成员，出于某种原因在构造函数中设置为 15, 16, 17。

  volatile Singleton* volatile temp = new Singleton;
  pInstance = temp;

OK，temp写在pInstance之前。 x,y,z 是什么时候写的？前？后？你不知道。它们不是易变的，因此不需要相对于易变的顺序进行排序。

现在一个线程进来，看到:

if (pInstance == 0) {  // first check

假设 pInstance 已设置，不为空。 x,y,z 的值是多少？即使 new Singleton 已被调用，并且构造函数已“运行”，但您不知道设置 x,y,z 的操作是否已运行。

所以现在您的代码开始读取 x,y,z 并崩溃，因为它确实需要 15,16,17，而不是随机数据。

哦等等，pInstance 是指向易失数据的易失指针!所以 x,y,z 是可变的吧？正确的？因此使用 pInstance 和 temp 进行排序。啊哈!

差不多。任何来自 *pInstance 的读取都将是易变的，但通过 new Singleton 的构造不是易变的。所以对 x,y,z 的初始写入没有排序。 :-(

所以您可以，也许，让成员volatile int x, y, z; OK。然而……

C++ 现在 有内存模型，即使在撰写本文时它没有。根据当前规则，volatile 不能防止数据竞争。 volatile 与线程无关。该程序是 UB。猫和狗住在一起。

此外，尽管这正在插入标准的极限(即 volatile 的真正含义变得模糊)，但一个无所不知、无所不见、全程序优化的编译器可以查看您对 volatile 的使用并说“不，那些 volatiles 实际上并没有连接到任何 IO 内存地址等，它们确实不是可观察到的行为，我只是想让它们成为非 volatile 的”...