多线程环境下,基本增减赋值操作的原子性实验[atomic,mutex]

在多线程环境下

int a=0;


 (1)a++;

 (2)--a;

(3)b+=2

(4)a=a+2


1.如果上面四个语句不加互斥访问,会出现问题的是?


实验结果:全部都可能。


2.用了如果a声明为atomic<int>呢?

实验结果:可以保证(1)(2)(3)不出问题,可以优化编译成一条机器指令。而(4)不会。


3.如果用了mutex呢,性能上的牺牲是什么样的?

实验结果:显然都不会出问题,但是性能上牺牲很大。测试10个线程跑100000次计算,用时约是仅用atomic语句的300多倍,是不加任何互斥保证的3000多倍。



结论:

1. 如果是a++,a--,--a,++a,b+=2这种类型的操作,一律用atomic保证即可,会优化为一句机器代码,高效且不会出错。

2.如果有b=b+2,之类的,改成b+=2,然后同1;如果是b=c+1这种,怎么优化也是多条机器语句,必须用mutex保证互斥

3.mutex互斥,对性能影响很大,而atomic性能影响很小。所以代码中能用atomic就放心用吧,而mutex小心用。很多情况下,充分利用指针和原子性,未必一定用mutex,很多问题都可以巧妙转化。





下面是一篇c++标准委员会的哥们的博客,作为参考。

ref:

http://www.informit.com/guides/content.aspx?g=cplusplus&seqNum=469

<think>首先,用户的问题是关于C++中shared_ptr的线程安全性。他们想知道shared_ptr是否线程安全,以及在多线程环境下的使用注意事项。 从系统级指令中,我需要: - 使用$...$格式表示行内数学表达式(但这里可能不需要数学表达式)。 - 独立公式用$$...$$格式(同样,可能不适用)。 - LaTeX语法正确(确保代码块正确)。 - 使用中文回答。 - 生成相关问题。 - 在回答中引用的段落末尾添加引用标识,如[^1]。 - 回答结构清晰,逐步解决问题。 - 参考提供的引用,确保回答真实可靠。 提供的引用: - [^1]: shared_ptr的线程安全性从三个并发场景考虑:拷贝、赋值、读写指向内存。 - [^2]: 引用计数操作是线程安全的;访问指向对象需要额外同步;直接修改shared_ptr对象本身在多线程中不安全。 - [^3]: 引用计数和weak计数是原子操作;shared_ptr只读时线程安全;操作被管理对象需要锁;同一个shared_ptr对象被多个线程修改时(如reset)不安全。 - [^4]: 不安全操作:同一shared_ptr实例的修改需要加锁;指向对象的访问需要用户同步。 - [^5]: 读取同一个shared_ptr实例是线程安全;修改同一个实例需要同步。 用户的问题核心:shared_ptr对象本身的线程安全性问题,以及多线程使用注意事项。 我的回答结构: 1. **引言**:简要介绍shared_ptr和线程安全概念。 2. **线程安全性的分析**:基于引用,分点讨论。 - 引用计数的线程安全性。 - shared_ptr对象本身(如拷贝、赋值、reset)的线程安全性。 - 访问指向对象的线程安全性。 3. **多线程使用注意事项**:总结建议。 4. **生成相关问题**:在末尾添加相关问题。 确保添加引用标识:在引用段落末尾加[^1]、[^2]等。 最后,生成相关问题。 回答大纲: - 开头:解释shared_ptr的基本功能。 - 主体:逐步分析线程安全性。 - 引用计数:原子操作,线程安全。 - shared_ptr对象本身:修改时需要同步。 - 指向对象:需要额外同步。 - 注意事项:给出实用建议。 - 结尾:相关问题。 使用中文。</think>### C++ shared_ptr 线程安全性分析 在C++中,`std::shared_ptr` 是一个智能指针,用于管理对象的生命周期,通过引用计数自动释放资源。用户询问其线程安全性问题,特别是`shared_ptr`对象本身在多线程环境下的行为。线程安全性取决于具体操作场景:并非所有操作都是线程安全的。我将基于权威资料和C++标准,逐步分析线程安全性的关键点,并提供多线程使用注意事项。 #### 1. **shared_ptr 线程安全性的分场景分析** - **引用计数操作是线程安全的**: `shared_ptr`的引用计数(包括weak计数)使用原子操作实现,因此在多线程中,引用计数的增减(如拷贝或析构)是线程安全的。这意味着多个线程可以同时创建或销毁指向同一对象的`shared_ptr`副本,而不会导致计数错误或资源泄漏[^1][^2][^3]。例如: ```cpp // 线程安全的操作:在不同线程中拷贝shared_ptr副本 std::shared_ptr<int> ptr1 = std::make_shared<int>(42); // 线程A std::thread t1([ptr1] { auto ptr2 = ptr1; // 拷贝操作,引用计数原子增加 }); // 线程B std::thread t2([ptr1] { auto ptr3 = ptr1; // 拷贝操作,引用计数原子增加 }); ``` 此操作安全,因为引用计数的修改是原子的[^2][^3]。 - **shared_ptr对象本身的修改不是线程安全的**: 如果多个线程直接对同一个`shared_ptr`对象(非副本)进行写操作,如赋值、`reset()`或移动,则会导致数据竞争和未定义行为。例如,线程A调用`reset()`改变指针指向,同时线程B读取或修改同一个`shared_ptr`对象,这需要用户自行加锁来同步[^3][^4][^5]: ```cpp std::shared_ptr<int> ptr = std::make_shared<int>(100); std::mutex mtx; // 线程A:修改ptr(不安全,需要加锁) std::thread t1([&] { std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); // 必须加锁 ptr.reset(new int(200)); // 重置指针 }); // 线程B:读取ptr(不安全,需要加锁) std::thread t2([&] { std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); // 必须加锁 if (ptr) { // 读取指针状态 // 操作 } }); ``` 如果不加锁,同一`shared_ptr`对象的并发修改可能引发崩溃或内存错误[^4][^5]。 - **访问指向的对象不是线程安全的**: `shared_ptr`只管理指针的生命周期,并不保证指向的对象是线程安全的。如果多个线程访问或修改被管理对象(如通过`operator*`或`operator->`),用户必须使用互斥锁或其他同步机制来保护对象数据[^1][^2][^4]。例如: ```cpp struct Data { int value = 0; }; auto data_ptr = std::make_shared<Data>(); std::mutex data_mtx; // 线程A:修改对象 std::thread t1([&] { std::lock_guard<std::mutex> lock(data_mtx); data_ptr->value = 10; // 需要同步 }); // 线程B:读取对象 std::thread t2([&] { std::lock_guard<std::mutex> lock(data_mtx); std::cout << data_ptr->value; // 需要同步 }); ``` 此场景下,`shared_ptr`本身不提供任何保护,用户需负责对象访问的线程安全[^3][^5]。 #### 2. **多线程环境下使用注意事项** - **安全操作**: - 在多个线程中共享`shared_ptr`副本是安全的(引用计数原子操作)。 - 只读访问同一个`shared_ptr`对象的const成员函数(如`use_count()`)是线程安全的[^5]。 - **不安全操作及应对措施**: - 避免直接修改同一个`shared_ptr`对象:使用`std::mutex`或`std::atomic`来同步写操作。例如,将`shared_ptr`封装在互斥锁保护的结构中。 - 访问指向对象时:必须为对象本身添加同步机制,如互斥锁或原子变量。 - 性能考虑:频繁加锁可能影响性能,考虑使用`std::atomic<std::shared_ptr>`(C++20起支持)或线程本地存储来少竞争[^2][^4]。 - **最佳实践**: - 优先传递`shared_ptr`副本,而非共享同一个对象实例。 - 使用`std::weak_ptr`来打破循环引用,避免引用计数问题。 - 在关键代码段进行压力测试,确保无数据竞争。 总结:`std::shared_ptr`的引用计数机制是线程安全的,但`shared_ptr`对象本身的修改和指向对象的访问需要用户手动同步[^1][^2][^3][^4][^5]。在多线程环境中,应谨慎设计以避免竞争条件。
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