C++静态函数和线程安全

C++ Static functions and thread safety

本文关键字：安全 线程 静态函数 C++      更新时间：2023-10-16

好吧，我在万能的谷歌上搜索了一些适合我问题的清晰答案，但没有成功。我正在C++中开发一个硬件抽象层，通过各种串行协议(SPI、I2C、UART(进行通信，我在板上有很多需要控制的IC。每个IC都有自己的类。由于我是通过类来建模硬件的，所以我认为在我的代码中拥有与板上安装的IC数量相同的实例数量对我来说很重要。我的问题是：我需要控制这些实例的创建。我提出的解决方案是将无形内容存储在静态std:：映射中，该映射以std:：字符串为密钥(例如，我使用SPI的设备名称和I2C的地址(。代码如下：

IC.h

class SomeICMap {
private:
    static std::map<std::string addr, std::shared_ptr<IC> > instance_map;
public:
    static IC* getInitializedInstance(std::shared_ptr<CommInterface> comm, const std::string& addr);
}

IC.cpp

std::map<std::string addr, std::shared_ptr<IC> > instance_map;
IC* SomeICMap::getInitializedInstance(std::shared_ptr<CommInterface> comm, const std::string& addr) {
    std::map<string, std::shared_ptr<IC> >::iterator it;
    it = instance_map.find(addr);
    if (it == instance_map.end()) {
            std::shared_ptr<IC> device(new IC(comm, addr));
            if (device->init() != 0) {
                return NULL;
            }
            instance_map[addr] = device;
            return device.get();
    }
    return it->second.get();
}

这样我就不会得到安装在板上的硬件的重复实例。我为每个IC都这样做。

我的问题是：这个线程安全吗

我将在Linux下运行的多个线程中使用其中一些IC。我不确定这是否安全，因为我正在访问一个静态映射来获取指针并访问硬件。根据我在网上读到的内容，对硬件的实际访问是安全的，因为内核在使用write((read((操作打开的文件描述符时会考虑并发性。我担心的是当程序第一次创建IC实例时会出现竞争条件。

SomeICMap::getInitializedInstance不是线程安全的：某个线程可能在另一个线程修改instance_map时访问它。这是一个数据竞赛，C++不会为具有数据竞赛的程序定义行为。您可以通过向类中抛出一个互斥对象来解决这个问题，并确保在持有互斥对象时执行对映射的所有访问：

class SomeICMap {
private:
    static std::map<std::string addr, std::shared_ptr<IC> > instance_map;
    static std::mutex mtx; // <-------
public:
    static IC* getInitializedInstance(std::shared_ptr<CommInterface> comm,
                                      const std::string& addr);
};
std::map<std::string addr, std::shared_ptr<IC> > SomeICMap::instance_map;
std::mutex SomeICMap::mtx; // <-------
IC* SomeICMap::getInitializedInstance(std::shared_ptr<CommInterface> comm,
                                      const std::string& addr) {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); // <-------
    std::map<string, std::shared_ptr<IC> >::iterator it;
    it = instance_map.find(addr);
    if (it == instance_map.end()) {
            std::shared_ptr<IC> device(new IC(comm, addr));
            if (device->init() != 0) {
                return NULL;
            }
            instance_map[addr] = device;
            return device.get();
    }
    return it->second.get();
}

如果您同时从多个线程调用getInitializedInstance，那么不，这不是线程安全的。原因是map插入可能与另一插入或读取交织。

一个简单的解决方案是向类添加一个静态std::mutex，并在函数开始时围绕它构造一个unique_lock。

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