《C++ Concurrency in Action》清单 9.8 中线程池实现的线程安全问题

Question

我正在阅读《C++ 并发实践》，第 2 版。作者展示了一个使用工作窃取的线程池实现，如下所示：

// Listing 9.7 Lock-based queue for work stealing

class work_stealing_queue
{
private:
    typedef function_wrapper data_type;
    std::deque<data_type> the_queue; 
    mutable std::mutex the_mutex;
public:
    work_stealing_queue()
    {}
    work_stealing_queue(const work_stealing_queue& other)=delete;
    work_stealing_queue& operator=(const work_stealing_queue& other)=delete;
    void push(data_type data) 
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(the_mutex);
        the_queue.push_front(std::move(data));
    }
    bool empty() const
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(the_mutex);
        return the_queue.empty();
    }
    bool try_pop(data_type& res) 
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(the_mutex);
        if(the_queue.empty())
        {
            return false;
        }
        res=std::move(the_queue.front());
        the_queue.pop_front();
        return true;
    }
    bool try_steal(data_type& res) 
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(the_mutex);
        if(the_queue.empty())
        {
            return false;
        }
        res=std::move(the_queue.back());
        the_queue.pop_back();
        return true;
    }
};

// Listing 9.8 A thread pool that uses work stealing

class thread_pool
{
    typedef function_wrapper task_type;
    std::atomic_bool done;
    threadsafe_queue<task_type> pool_work_queue;
    std::vector<std::unique_ptr<work_stealing_queue>> queues; 
    std::vector<std::thread> threads;
    join_threads joiner;
    static thread_local work_stealing_queue* local_work_queue; 
    static thread_local unsigned my_index;
    void worker_thread(unsigned my_index_)
    {
        my_index=my_index_;
        local_work_queue=queues[my_index].get(); 
        while(!done)
        {
            run_pending_task();
        }
    }
    bool pop_task_from_local_queue(task_type& task)
    {
        return local_work_queue && local_work_queue->try_pop(task);
    }
    bool pop_task_from_pool_queue(task_type& task)
    {
        return pool_work_queue.try_pop(task);
    }
    bool pop_task_from_other_thread_queue(task_type& task) 
    {
        for(unsigned i=0;i<queues.size();++i)
        {
            unsigned const index=(my_index+i+1)%queues.size(); 
            if(queues[index]->try_steal(task))
            {
                return true;
            }
        }
        return false;
    }
public:
    thread_pool():
        done(false),joiner(threads)
    {
        unsigned const thread_count=std::thread::hardware_concurrency();
        try
        {
            for(unsigned i=0;i<thread_count;++i)
            {
                queues.push_back(std::unique_ptr<work_stealing_queue>( 
                new work_stealing_queue));
            }
            for(unsigned i=0;i<thread_count;++i)
            {
                threads.push_back(std::thread(&thread_pool::worker_thread,this,i));
            }
        }
        catch(...)
        {
            done=true;
            throw;
        }
    }
    ~thread_pool()
    {
        done=true;
    }
    template<typename FunctionType>
    std::future<typename std::result_of<FunctionType()>::type> submit(
    FunctionType f)
    {
        typedef typename std::result_of<FunctionType()>::type result_type;
        std::packaged_task<result_type()> task(f);
        std::future<result_type> res(task.get_future());
        if(local_work_queue)
        {
            local_work_queue->push(std::move(task));
        }
        else
        {
            pool_work_queue.push(std::move(task));
        }
        return res;
    }
    void run_pending_task()
    {
        task_type task;
        if(pop_task_from_local_queue(task) || 
            pop_task_from_pool_queue(task) || 
            pop_task_from_other_thread_queue(task)) 
        {
            task();
        }
        else
        {
            std::this_thread::yield();
        }
    }
};

我的问题来了：在

thread_pool

的构造函数中，他首先构造了所有的

work_stealing_queue

，然后构造了所有的工作线程。当工作线程执行到

run_pending_task

时，它会尝试访问

thread_pool::queues

成员变量。是否有可能因为重新排序的原因，

thread_pool::queues

中的元素在工作线程访问之前还没有完成构建？如果没有，订单如何保证？我找不到这些事件之间的任何同步关系。

您能解释一下上面描述的线程安全问题吗？

感谢您的阅读！

Answer 1

完成

std::thread

构造函数调用与同步线程函数的调用开始。

因此可以保证

worker_thread

在构造其元素的循环之后会看到

queues

的状态。

然而，这种方法还有另一个问题：在构造期间访问类对象成员的 Per [class.cdtor]/2 仅当访问（直接或间接）通过“构造函数的 this 指针”发生时才具有明确指定的行为”。

worker_thread

中的情况并非如此，它在构造函数仍在运行时已经在运行。但这在实践中是否存在问题是另一个问题。