C++多线程环境下的构造函数

时间：2021-07-02 18:14:47

多线程的环境里，我们总不可避免要使用锁。于是一个常见的场景就是：

 class ObjectWithLock

 {

 private:

   std::mutex mtx_;

   SomeResType shared_res_;

 public:

   // Constructor/Destructor

   …

   void OpOnSharedRes()

   {

     std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx_);

     // read/write shared resource: shared_res_

     …

   }

 };

问题

多线程环境下该如何实现拷贝构造函数和移动构造函数呢？

要实现默认构造函数，没有挑战。使用成员初始化列表就可以：

ObjectWithLock() : mtx_(), shared_res_() {} // 如果SomeResType有默认构造函数的话。

那么我们的拷贝构造怎么写呢？

方案一

非常有可能见到的一种解决方案是：

 ObjectWithLock(ObjectWithLock const & rhs)

 {

   std::lock_guard<std::mutex> lock(rhs.mtx_);

   shared_res_ = rhs.shared_res_;

 }

优点

很明显，这个方案解决了我们的问题。

缺点

方案一的缺点也是显而易见的。就是shared_res_ = rhs.shared_res_。为什么这么说呢？

我们先来复习下成员变量初始化顺序。

C++成员变量的初始化顺序

成员变量的初始化顺序在C++里弄不好，就是各种坑。

首先我们比较容易知道的是，C++成员变量的初始化发生在构造函数之前。

那么成员变量之间初始化的顺序是如何的呢？

没有专门去注意过这个问题的童鞋，很可能会认为，成员变量的初始化顺序是有成员变量初始化列表的顺序决定的。而事实上成员变量的初始化顺序是有其声明顺序决定的。

方案一的问题

所以方案一的问题就是，shared_res_ = rhs.shared_res_，做的是赋值而不是初始化。如果我们要过分看待这个问题的话，那么结论就是这会带来性能损耗(看具体情况，对性能存在很大的影响也是有可能的)。

当然很多时候我们没有必要吹毛求疵。事实上方案一最大的问题是他有很多局限性。这些局限性要求SomeResType必须：

  1. 有无参默认构造
  2. 支持赋值操作
  3. 没有const成员变量，没有引用类型的成员变量等

如果SomeResType不支持这些前提条件，那么为了解决当前的问题，要么让SomeResType支持，要么重新设计ObjectWithLock。如果ObjectWithLock是一个正确的设计想法，那么就只能为难SomeResType了。蛋疼。

难道这个问题就无解了不成？当然不是这样的，不过如果按照C++98/03的标准来做，真的不容易。我们还是来看看C++11能给我们带来什么惊喜吧。

方案二

C++11引入了一个和构造函数相关的语法，delegate constructor，代理构造函数。一个在C#里早就存在的语法，终于C++里也有了。

所谓的delegate constructor，就是构造函数的初始化可以代理(delegates to)给该类另外一个构造函数去完成。一个简单的例子(来自C++11标准文档12.6.2，段落6)就是：

 struct C

 {

   C(int c) {}     // #1: non-delegating constructor

   C() : C() {}  // #2: delegate to #1

 };

有了代理构造函数，我们的问题就容易解决了。我们要解决的问题的关键就是，在初始化成员变量前，先将rhs对象lock住。

那么原先的拷贝构造函数要做到和下面伪代码类似的事情：

ObjectWithLock::ObjectWithLock(ObjectWithLock const & rhs)

  : shared_res_(rhs.shared_res_), lock(rhs)

{}

借助代理构造函数，我们先实现一个自定义的构造函数，能够做拷贝，并且接受一把锁：

 ObjectWithLock::ObjectWithLock(ObjectWithLock const & rhs,

                                std::lock_guard<std::mutex> const &)

   : shared_res_(rhs.shared_res_)

 {}

然后很自然我就有了：

ObjectWithLock::ObjectWithLock(ObjectWithLock const & rhs)

  ObjctWithLock(rhs, std::lock_guard<std::mutex>(rhs.mtx_))

{}

问题完美解决了！

C++98/03的解决方案

C++98/03到底能不能解决这个问题呢？能！当然能！就是看你能不能想到了。

这里我就直接给结果，留给大家自己去想吧。

ObjectWithLock::ObjectWithLock(ObjectWithLock const & rhs)

  : shared_res_((std::lock_guard<std::mutex>(rhs.mtx_), rhs.shared_res_))

{}

另外，这里ObjectWithLock只有一个资源shared_res_，如果有多个资源，解决方案类似，但是需要将多个资源先封装到一个结构中，然后将该结构应用到ObjectWithLock类中。

结束语

这里就只罗列的拷贝构造函数，移动构造函数同理，留给大家自己想吧。完！

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