陈硕的Blog

为什么多线程读写 shared_ptr 要加锁?

陈硕(giantchen_AT_gmail_DOT_com)

2012-01-28

我在《Linux 多线程服务端编程:使用 muduo C++ 网络库》第 1.9 节“再论 shared_ptr 的线程安全”中写道:

(shared_ptr)的引用计数本身是安全且无锁的,但对象的读写则不是,因为 shared_ptr 有两个数据成员,读写操作不能原子化。根据文档(http://www.boost.org/doc/libs/release/libs/smart_ptr/shared_ptr.htm#ThreadSafety), shared_ptr 的线程安全级别和内建类型、标准库容器、std::string 一样,即:

• 一个 shared_ptr 对象实体可被多个线程同时读取(文档例1);

• 两个 shared_ptr 对象实体可以被两个线程同时写入(例2),“析构”算写操作;

如果要从多个线程读写同一个 shared_ptr 对象,那么需要加锁(例3~5)。

请注意,以上是 shared_ptr 对象本身的线程安全级别,不是它管理的对象的线程安全级别。

后文(p.18)则介绍如何高效地加锁解锁。本文则具体分析一下为什么“因为 shared_ptr 有两个数据成员,读写操作不能原子化”使得多线程读写同一个 shared_ptr 对象需要加锁。这个在我看来显而易见的结论似乎也有人抱有疑问,那将导致灾难性的后果。本文以 boost::shared_ptr 为例,与 std::shared_ptr 可能略有区别。

shared_ptr 的数据结构

shared_ptr 是引用计数型(reference counting)智能指针,几乎所有的实现都采用在堆(heap)上放个计数值(count)的办法(除此之外理论上还有用循环链表的办法,不过没有实例)。具体来说,shared_ptr<Foo> 包含两个成员,一个是指向 Foo 的指针 ptr,另一个是 ref_count 指针(其类型不一定是原始指针,有可能是 class 类型,但不影响这里的讨论),指向堆上的 ref_count 对象。ref_count 对象有多个成员,具体的数据结构如图 1 所示,其中 deleter 和 allocator 是可选的。

sp0

图 1:shared_ptr 的数据结构。

为了简化并突出重点,后文只画出 use_count:

sp1

以上是 shared_ptr<Foo> x(new Foo); 对应的内存数据结构。

如果再执行 shared_ptr<Foo> y = x; 那么对应的数据结构如下。

sp2

但是 y=x 涉及两个成员的复制,这两步拷贝不会同时(原子)发生。

中间步骤 1,复制 ptr 指针:

sp3

中间步骤 2,复制 ref_count 指针,导致引用计数加 1:

sp4

步骤1和步骤2的先后顺序跟实现相关(因此步骤 2 里没有画出 y.ptr 的指向),我见过的都是先1后2。

既然 y=x 有两个步骤,如果没有 mutex 保护,那么在多线程里就有 race condition。

多线程无保护读写 shared_ptr 可能出现的 race condition

考虑一个简单的场景,有 3 个 shared_ptr<Foo> 对象 x、g、n:

  • shared_ptr<Foo> g(new Foo); // 线程之间共享的 shared_ptr
  • shared_ptr<Foo> x; // 线程 A 的局部变量
  • shared_ptr<Foo> n(new Foo); // 线程 B 的局部变量

一开始,各安其事。

sp5

线程 A 执行 x = g; (即 read g),以下完成了步骤 1,还没来及执行步骤 2。这时切换到了 B 线程。

sp6

同时编程 B 执行 g = n; (即 write G),两个步骤一起完成了。

先是步骤 1:

sp7

再是步骤 2:

sp8

这是 Foo1 对象已经销毁,x.ptr 成了空悬指针!

最后回到线程 A,完成步骤 2:

sp9

多线程无保护地读写 g,造成了“x 是空悬指针”的后果。这正是多线程读写同一个 shared_ptr 必须加锁的原因。

当然,race condition 远不止这一种,其他线程交织(interweaving)有可能会造成其他错误。

思考,假如 shared_ptr 的 operator= 实现是先复制 ref_count(步骤 2)再复制 ptr(步骤 1),会有哪些 race condition?

杂项

shared_ptr 作为 unordered_map 的 key

如果把 boost::shared_ptr 放到 unordered_set 中,或者用于 unordered_map 的 key,那么要小心 hash table 退化为链表。http://stackoverflow.com/questions/6404765/c-shared-ptr-as-unordered-sets-key/12122314#12122314

直到 Boost 1.47.0 发布之前,unordered_set<std::shared_ptr<T> > 虽然可以编译通过,但是其 hash_value 是 shared_ptr 隐式转换为 bool 的结果。也就是说,如果不自定义hash函数,那么 unordered_{set/map} 会退化为链表。https://svn.boost.org/trac/boost/ticket/5216

Boost 1.51 在 boost/functional/hash/extensions.hpp 中增加了有关重载,现在只要包含这个头文件就能安全高效地使用 unordered_set<std::shared_ptr> 了。

这也是 muduo 的 examples/idleconnection 示例要自己定义 hash_value(const boost::shared_ptr<T>& x) 函数的原因(书第 7.10.2 节,p.255)。因为 Debian 6 Squeeze、Ubuntu 10.04 LTS 里的 boost 版本都有这个 bug。

为什么图 1 中的 ref_count 也有指向 Foo 的指针?

shared_ptr<Foo> sp(new Foo) 在构造 sp 的时候捕获了 Foo 的析构行为。实际上 shared_ptr.ptr 和 ref_count.ptr 可以是不同的类型(只要它们之间存在隐式转换),这是 shared_ptr 的一大功能。分 3 点来说:

1. 无需虚析构;假设 Bar 是 Foo 的基类,但是 Bar 和 Foo 都没有虚析构。

shared_ptr<Foo> sp1(new Foo); // ref_count.ptr 的类型是 Foo*

shared_ptr<Bar> sp2 = sp1; // 可以赋值,自动向上转型(up-cast)

sp1.reset(); // 这时 Foo 对象的引用计数降为 1

此后 sp2 仍然能安全地管理 Foo 对象的生命期,并安全完整地释放 Foo,因为其 ref_count 记住了 Foo 的实际类型。

2. shared_ptr<void> 可以指向并安全地管理(析构或防止析构)任何对象;muduo::net::Channel class 的 tie() 函数就使用了这一特性,防止对象过早析构,见书 7.15.3 节。

shared_ptr<Foo> sp1(new Foo); // ref_count.ptr 的类型是 Foo*

shared_ptr<void> sp2 = sp1; // 可以赋值,Foo* 向 void* 自动转型

sp1.reset(); // 这时 Foo 对象的引用计数降为 1

此后 sp2 仍然能安全地管理 Foo 对象的生命期,并安全完整地释放 Foo,不会出现 delete void* 的情况,因为 delete 的是 ref_count.ptr,不是 sp2.ptr。

3. 多继承。假设 Bar 是 Foo 的多个基类之一,那么:

shared_ptr<Foo> sp1(new Foo);

shared_ptr<Bar> sp2 = sp1; // 这时 sp1.ptr 和 sp2.ptr 可能指向不同的地址,因为 Bar subobject 在 Foo object 中的 offset 可能不为0。

sp1.reset(); // 此时 Foo 对象的引用计数降为 1

但是 sp2 仍然能安全地管理 Foo 对象的生命期,并安全完整地释放 Foo,因为 delete 的不是 Bar*,而是原来的 Foo*。换句话说,sp2.ptr 和 ref_count.ptr 可能具有不同的值(当然它们的类型也不同)。

为什么要尽量使用 make_shared()?

为了节省一次内存分配,原来 shared_ptr<Foo> x(new Foo); 需要为 Foo 和 ref_count 各分配一次内存,现在用 make_shared() 的话,可以一次分配一块足够大的内存,供 Foo 和 ref_count 对象容身。数据结构是:

sp10

不过 Foo 的构造函数参数要传给 make_shared(),后者再传给 Foo::Foo(),这只有在 C++11 里通过 perfect forwarding 才能完美解决。

(.完.)

posted on 2013-01-28 05:15 陈硕 阅读(8051) 评论(7)  编辑 收藏 引用

评论

# re: 为什么多线程读写 shared_ptr 要加锁?[未登录] 2013-01-28 10:18 春秋十二月

陈兄高才,对boost研究得很透彻,可以写出更好的shared_ptr了。  回复  更多评论   

# re: 为什么多线程读写 shared_ptr 要加锁? 2013-01-28 15:00 wallwind

倒是觉得,有些业务多线程并不会提高效率。,,加入多线程间就要考虑好多东西,好纠结。  回复  更多评论   

# re: 为什么多线程读写 shared_ptr 要加锁? 2013-01-31 16:54 HASKELL

@wallwind
多线程是为了简化开发,效率肯定降低。  回复  更多评论   

# re: 为什么多线程读写 shared_ptr 要加锁? 2013-02-11 10:31 34

@楼主
"多线程无保护读写 shared_ptr 可能出现的 race condition",废话真多, 哪些类型多线程读写没有race condition? 又什么特别的理由多线程读写变量?  回复  更多评论   

# re: 为什么多线程读写 shared_ptr 要加锁? 2013-02-11 13:11 ooseven

share_ptr = share_ptr;
Share_ptr.reset(new class);
这两条语句不需要加锁,其他的就无所谓了,您觉得呢?  回复  更多评论   

# re: 为什么多线程读写 shared_ptr 要加锁?[未登录] 2013-10-27 18:09 Terry

博主你好,我想问一下,你的那本muduo书第57页写道:
data_.swap(newData);//不要使用data_ = newData;
我想问一下这样写的原因,为什么不用data_ = newData;呢?这和多线程的race condition有关系吗?
我看到boost文档上写
operator=:
Effects: Equivalent to shared_ptr(r).swap(*this).

你这么写仅仅是为了少一个临时对象的生成?

谢谢  回复  更多评论   

# re: 为什么多线程读写 shared_ptr 要加锁? 2016-04-01 16:27

你好,陈硕,最近在仔细看你的代码,从中获益良多,非常感谢,但也有些建议想说一下,在程序结构上,你在最外部的app中构造了loop对象,然后就开始在整个程序中大量传递,有时候会传递好多层,我感觉貌似用的有点太泛滥了。  回复  更多评论   


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