Andrei Alexandrescu
董恒超 译
我不想破坏你的情绪,但这篇专栏针对多线程编程中最可怕的问题。如果说——正如前面一篇泛型<编程>所说的——写出意外安全(exception-safe)的程序很难,但写意外安全的程序和多线程编程比起来就是小孩子的玩意。
用到多线程的程序是众所周知地难写,难验证,难调试,难维护,总的来说难以驾御。不正确的多线程程序可能会运行几年都不出问题,但在某些时间条件符合时就会导致不可预料的灾难。
不用说,一个写多线程代码的程序员需要一切能得到的帮助。这篇专栏集中讨论竞态条件——在多线程程序中普遍的问题来源——让你了解如何避免它并提供给你工具,而且会让你惊喜地看到你能够让编译器积极地帮助你处理这个问题。
只是个小小的关键字
尽管C和C++标准都明显地对线程保持沉默,它们还是对多线程做了小小的让步,这种让步表现为volatile关键字。
正如它的更为人所知的伙伴const, volatile是个类型修正符(type modifier)。它的作用是和变量连用使变量能被不同线程访问和修改。根本上说,如果没有volatile的话,要么不可能写出多线程程序,要么编译器浪费极大的优化机会。现在来解释为什么会是这种情况。
考虑下面代码:
class Gadget
{
public:
void Wait ()
{
while (!flag_)
{
Sleep(1000); //睡眠1000毫秒
}
}
void Wakeup ()
{
flag_ = true;
}
…
private:
bool flag_;
};
上面Gadget::Wait的作用是每秒检查一次flag_成员变量,如果那个变量被其他线程设为true时返回。至少这是程序员的本来意图,但,唉,Wait函数是错误的。
如果编译器断定Sleep(1000)是对外部库的一个调用,而且这个调用不可能修改成员变量flag_。那么编译器会决定在寄存器中缓存flag_并且用那个寄存器替代较慢的内存。这对单线程代码来说是非常好的优化,但在现在这个情况下,这个优化破坏了正确性:你对某个Gadget对象调用Wait后,尽管另一个线程调用了Wakeup,Wait还会永远循环下去。这是因为对flag_的修改不会反映到缓存flag_的寄存器。这个优化实在是……过度优化了。
把变量缓存到寄存器中在大多数时候是一项非常有用的优化,浪费掉就太可惜了。C和C++给你机会来显式禁用这个优化。如果你用volatile标识一个变量,编译器就不会把那个变量缓存到积存器中——对变量的每次访问都直接通过实际内存的位置。所以要让Gadget的Wait/Wakeup正常工作只要正确修饰flag_
class Gadget
{
public:
…同上…
private:
volatile bool flag_;
};
大多数对volatile用途和用法的解释到此为止,并且建议你在多线程中对基本类型加volatile标识符。但是,用volatile你可以做更多事情,因为它是C++奇妙的类型系统的一部分。
对用户定义类型使用volatile
你不单单能够在基本类型前加volatile标识符,而且也能在用户定义类型前加。在这种情况下。volatile象const一样修改这个类型(你也能够同时对同一个类型加const和volatile)
但是不象const,volatile对基本类型和用户定义类型作用不同。就是说,不象类,基本类型加了volatile标识符后仍旧支持它们所有的操作(加,乘,赋值,等等。)。比如,你能够把一个非volatile int赋给一个volatile int,但你不能把一个非volatile对象赋给一个volatile对象。
我们来举例说明volatile怎样作用于用户定义类型。
Class Gadge
{
public:
void Foo() volatile;
void Bar();
…
private:
String name_;
Int state_;
};
…
Gadget regularGadget;
Volatile Gadget volatileGadget;
如果你认为volatile对对象不起作用,那准备好被吓一跳吧。
volatileGadget.Foo(); //成功,对volatile对象调用volatile函数没有问题
regularGadget.Foo(); //成功,对非volatile对象调用volatile函数没有问题
volatileGadget.Bar(); //失败!不能对volatile对象调用非volatile函数
把无标识类型转换为对应的volatile对象很简单。然而,你不能把volatile转回无标识。你必须用cast:
Gadget& ref = const_cast<Gadget&>(vola