初始化沒有魔術靜態的空多態Singleton類型

假設你有一個多態Singleton類型（在我們的例子中是一個自定義的std::error_category類型）。該類型是無狀態的，所以沒有數據成員，但它確實有一些虛擬功能。在多線程環境中實例化此類型時出現問題。初始化沒有魔術靜態的空多態Singleton類型

實現這一目標是使用C++ 11的magic statics最簡單的方法：

my_type const& instantiate() { 
    static const my_type instance; 
    return instance; 
}

不幸的是，我們的編譯器（VC11）之一不支持此功能。

我應該期望這會在多線程環境中爆炸嗎？我很確定，就標準而言，所有投注都是關閉的。但是鑑於這種類型不包含任何數據成員和虛擬函數，我應該從VC11等主流實現中期望什麼樣的錯誤？例如，在執行error_category時，Boost.System和VC都沒有采取任何預防措施。他們只是粗心大意，還是擔心這裏的比賽是不合理的偏執狂？
以符合標準的方式擺脫數據競爭的最佳方式是什麼？由於這種情況下的類型是error_category，我希望儘可能避免執行堆分配。請記住，在這種情況下，Singleton語義是至關重要的，因爲錯誤類別的等同性是由指針比較確定的。這意味着例如線程本地存儲不是一個選項。

來源

2014-01-17 ComicSansMS

該標準沒有提到在多線程上調用函數時如何構造靜態的問題。

gcc使用鎖來使函數級靜態線程安全（可以被標誌禁用）。絕大多數（所有？）版本的Visual C++都沒有線程安全功能級靜態。

建議圍繞變量聲明使用鎖來保證線程安全。

來源

2014-01-17 16:39:54

C++ 11 [stmt.dcl/4不是無聲：」 ......這樣的變量是首次初始化控制穿過它的聲明;這樣的變量被認爲是在完成初始化如果初始化通過拋出異常退出，則初始化未完成，因此在下一次控制進入聲明時將再次嘗試初始化。如果控制在初始化變量時並行輸入，則併發執行應等待完成初始化。「 – Casey

嘗試＃2B：實現自己的std::once_flag當量，與atomic<int>（Live at Rextester）：

my_type const& instantiate() { 
    static std::aligned_storage<sizeof(my_type), __alignof(my_type)>::type storage; 
    static std::atomic_int flag; 

    while (flag < 2) { 
     // all threads spin until the object is properly initialized 
     int expected = 0; 
     if (flag.compare_exchange_weak(expected, 1)) { 
      // only one thread succeeds at the compare_exchange. 
      try { 
       ::new (&storage) my_type; 
      } catch(...) { 
       // Initialization failed. Let another thread try. 
       flag = 0; 
       throw; 
      } 
      // Success! 
      if (!std::is_trivially_destructible<my_type>::value) { 
       std::atexit([] { 
        reinterpret_cast<my_type&>(storage).~my_type(); 
       }); 
      } 
      flag = 2; 
     } 
    } 

    return reinterpret_cast<my_type&>(storage); 
}

這僅依賴於編譯器正確零初始化所有靜態存儲持續時間的對象，並且還使用了非標準擴展__alignof(<type>)以正確對齊storage，因爲微軟的編譯團隊不會被打擾添加沒有兩個下劃線的關鍵字。

嘗試＃1：在具有 std::once_flag（ Live demo at Coliru）結合使用 std::call_once：

my_type const& instantiate() { 
    struct empty {}; 
    union storage_t { 
     empty e; 
     my_type instance; 
     constexpr storage_t() : e{} {} 
     ~storage_t() {} 
    }; 

    static std::once_flag flag; 
    static storage_t storage; 

    std::call_once(flag, []{ 
     ::new (&storage.instance) my_type; 
     std::atexit([]{ 
      storage.instance.~my_type(); 
     }); 
    }); 

    return storage.instance; 
}

爲std::once_flag默認的構造是constexpr，所以它保證恆定初始化期間來構造。我覺得VC正確執行不斷的初始化。編輯：不幸的是，通過VS12的MSVC仍然不支持constexpr，所以這種技術有一些未定義的行爲。我會再嘗試。

來源

2014-01-17 21:31:25 Casey

比我想要的多一點代碼，但它實現了threadsafety的目標，而不需要在函數定義之外導出任何對象，或者在靜態初始化順序失敗中有任何參與。 – Casey

您應該使用atomic_int而不是原子，因爲在原子中有一個默認構造函數，它在函數運行時將該標誌設置爲0。如果發生在上一個線程剛剛設置爲1時，則會有兩個線程進入臨界區。 atomic_int仍然被初始化爲0，但是這種情況發生在程序啓動時，當競爭條件不可能時。 – Ian

@Ian是的，謝謝，我忘記了MSVC未能正確實施「原子」的簡單默認構造。 – Casey

這是一個可能更簡單的版本凱西的答案，它使用原子自旋鎖來防止正常靜態聲明。

my_type const& instantiate() 
{ 
    static std::atomic_int flag; 
    while (flag != 2) 
    { 
    int expected = 0; 
    if (flag.compare_exchange_weak(expected, 1)) 
     break; 
    } 
    try 
    { 
    static my_type instance = whatever; // <--- normal static decl and init 

    flag = 2; 
    return instance; 
    } 
    catch (...) 
    { 
    flag = 0; 
    throw; 
    } 
}

這段代碼也更容易變成三個宏觀的重用，這是很容易#defined到沒事就支持魔靜平臺。

my_type const& instantiate() 
{ 
    MY_MAGIC_STATIC_PRE; 

    static my_type instance = whatever; // <--- normal static decl and init 

    MY_MAGIC_STATIC_POST; 

    return instance; 

    MY_MAGIC_STATIC_SCOPE_END; 
}

來源

2014-12-04 17:39:15 Ian

@Casey - 感謝您發現。我現在修好了。 – Ian

初始化沒有魔術靜態的空多態Singleton類型

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