关于 c ：我的双重检查锁定模式实现正确吗？

Is my Double-Checked Locking Pattern implementation right?

Meyers 的《Effective Modern C》一书中的一个例子，第 16 条。

in a class caching an expensive-to-compute int, you might try to use a
pair of std::atomic avriables instead of a mutex:

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class Widget {
public:
int magicValue() const {
if (cachedValid) {
return cachedValue;
} else {
auto val1 = expensiveComputation1();
auto val2 = expensiveComputation2();

cachedValue = va1 + val2;
cacheValid = true;
return cachedValue;
}
}
private:
mutable std::atomic<bool> cacheValid { false };
mutable std::atomic<int> cachedValue;
};

This will work, but sometimes it will work a lot harder than it
should.Consider: A thread calls Widget::magicValue, sees cacheValid as
false, performs the two expensive computations, and assigns their sum
to cachedValud. At that point, a second thread calss
Widget::magicValue, also sees cacheValid as false, and thus carries
out the same expensive computations that the first thread has just
finished.

然后他给出了一个使用互斥锁的解决方案：

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class Widget {
public:
int magicValue() const {
std::lock_guard<std::mutex> guard(m);
if (cacheValid) {
return cachedValue;
} else {
auto val1 = expensiveComputation1();
auto val2 = expensiveComputation2();

cachedValue = va1 + val2;
cacheValid = true;
return cachedValue;
}
}
private:
mutable std::mutex m;
mutable bool cacheValid { false };
mutable int cachedValue;
};

但我认为解决方案不是那么有效，我考虑将互斥锁和原子结合起来组成一个双重检查锁定模式，如下所示。

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class Widget {
public:
int magicValue() const {
if (!cacheValid) {
std::lock_guard<std::mutex> guard(m);
if (!cacheValid) {
auto val1 = expensiveComputation1();
auto val2 = expensiveComputation2();

cachedValue = va1 + val2;
cacheValid = true;
}
}
return cachedValue;
}
private:
mutable std::mutex m;
mutable std::atomic<bool> cacheValid { false };
mutable std::atomic<int> cachedValue;
};

因为我是多线程编程的新手，所以想了解一下：

我的代码对吗？
它的性能更好吗？

编辑：

修复了代码。if (!cachedValue) -> if (!cacheValid)

相关讨论

正如HappyCactus所指出的，第二个检查if (!cachedValue)实际上应该是if (!cachedValid)。除了这个错字，我认为您对双重检查锁定模式的演示是正确的。但是，我认为没有必要在 cachedValue 上使用 std::atomic。 cachedValue 写入的唯一位置是 cachedValue = va1 + val2;。在完成之前，没有线程会到达语句 return cachedValue;，这是读取 cachedValue 的唯一位置。因此，写入和读取不可能同时进行。而且并发读取也没有问题。

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Is my code right?

是的。您应用的双重检查锁定模式是正确的。但请参阅下面的一些改进。

Does it performance better ?

与完全锁定的变体(您的帖子中的第二个)相比，它的性能大多更好，直到 magicValue() 只被调用一次(但即使在这种情况下，性能损失也可以忽略不计)。

与无锁变体(您的帖子中的第一个)相比，您的代码表现出更好的性能，直到值计算比等待互斥锁更快。

例如，10 个值的总和(通常)比等待互斥锁要快。在这种情况下，第一个变体是可取的。另一方面，从文件中读取 10 次比等待互斥体慢，所以你的变体比第一次好。

实际上，对您的代码有一些简单的改进，可以使其更快(至少在某些机器上)并提高对代码的理解：

cachedValue 变量根本不需要原子语义。它受 cacheValid 标志保护，原子性完成所有工作。此外，单个原子标志可以保护多个非原子值。

此外，如该答案 https://stackoverflow.com/a/30049946/3440745 中所述，当访问 cacheValid 标志时，您不需要顺序一致性顺序(当您阅读时默认应用或写原子变量)，释放-获取顺序就足够了。

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class Widget {
public:
int magicValue() const {
//'Acquire' semantic when read flag.
if (!cacheValid.load(std::memory_order_acquire)) {
std::lock_guard<std::mutex> guard(m);
// Reading flag under mutex locked doesn't require any memory order.
if (!cacheValid.load(std::memory_order_relaxed)) {
auto val1 = expensiveComputation1();
auto val2 = expensiveComputation2();

cachedValue = va1 + val2;
// 'Release' semantic when write flag
cacheValid.store(true, std::memory_order_release);
}
}
return cachedValue;
}
private:
mutable std::mutex m;
mutable std::atomic<bool> cacheValid { false };
mutable int cachedValue; // Atomic isn't needed here.
};

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您可以通过降低内存排序要求来稍微提高解决方案的效率。这里不需要原子操作的默认顺序一致性内存顺序。

性能差异在 x86 上可能可以忽略不计，但在 ARM 上很明显，因为顺序一致性内存顺序在 ARM 上很昂贵。有关详细信息，请参阅 Herb Sutter 的"强"和"弱"硬件内存模型。

建议更改：

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class Widget {
public:
int magicValue() const {
if (cachedValid.load(std::memory_order_acquire)) { // Acquire semantics.
return cachedValue;
} else {
auto val1 = expensiveComputation1();
auto val2 = expensiveComputation2();

cachedValue = va1 + val2; // Non-atomic write.

// Release semantics.
// Prevents compiler and CPU store reordering.
// Makes this and preceding stores by this thread visible to other threads.
cachedValid.store(true, std::memory_order_release);
return cachedValue;
}
}
private:
mutable std::atomic<bool> cacheValid { false };
mutable int cachedValue; // Non-atomic.
};

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不正确：

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int magicValue() const {
if (!cachedValid) {

// this part is unprotected, what if a second thread evaluates
// the previous test when this first is here? it behaves
// exactly like in the first example.

std::lock_guard<std::mutex> guard(m);
if (!cachedValue) {
auto val1 = expensiveComputation1();
auto val2 = expensiveComputation2();

cachedValue = va1 + val2;
cachedValid = true;
}
}
return cachedValue;

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