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条款十六：让const成员函数线程安全
Item 16: Make const member functions thread safe
如果我们在数学领域中工作，我们就会发现用一个类表示多项式是很方便的。在这个类中，使用一个函数来计算多项式的根是很有用的，也就是多项式的值为零的时候。这样的一个函数它不会更改多项式。所以，它自然被声明为const函数。
class Polynomial {
public:
using RootsType = //数据结构保存多项式为零的值
std::vector<double>; //（“using” 的信息查看条款9）
…
RootsType roots() const;
…
};
计算多项式的根是很复杂的，因此如果不需要的话，我们就不做。如果必须做，我们肯定不想再做第二次。所以，如果必须计算它们，就缓存多项式的根，然后实现roots来返回缓存的值。下面是最基本的实现：
class Polynomial {
public:
using RootsType = std::vector<double>;
RootsType roots() const
{
if (!rootsAreValid) { //如果缓存不可用
… //计算根
//用rootVals存储它们
rootsAreValid = true;
}
return rootVals;
}
private:
mutable bool rootsAreValid{ false }; //初始化器（initializer）的
mutable RootsType rootVals{}; //更多信息请查看条款7
};
从概念上讲，roots并不改变它所操作的Polynomial对象。但是作为缓存的一部分，它也许会改变rootVals和rootsAreValid的值。这就是mutable的经典使用样例，这也是为什么它是数据成员声明的一部分。
假设现在有两个线程同时调用Polynomial对象的roots方法:
Polynomial p;
…
/*------ Thread 1 ------*/ /*-------- Thread 2 --------*/
auto rootsOfp = p.roots(); auto valsGivingZero = p.roots();
这些用户代码是非常合理的。roots是const成员函数，那就表示着它是一个读操作。在没有同步的情况下，让多个线程执行读操作是安全的。它最起码应该做到这点。在本例中却没有做到线程安全。因为在roots中，这些线程中的一个或两个可能尝试修改成员变量rootsAreValid和rootVals。这就意味着在没有同步的情况下，这些代码会有不同的线程读写相同的内存，这就是数据竞争（data race）的定义。这段代码的行为是未定义的。
问题就是roots被声明为const，但不是线程安全的。const声明在C++11中与在C++98中一样正确（检索多项式的根并不会更改多项式的值），因此需要纠正的是线程安全的缺乏。
解决这个问题最普遍简单的方法就是——使用mutex（互斥量）：
class Polynomial {
public:
using RootsType = std::vector<double>;
RootsType roots() const
{
std::lock_guard<std::mutex> g(m); //锁定互斥量
if (!rootsAreValid) { //如果缓存无效
… //计算/存储根值
rootsAreValid = true;
}
return rootsVals;
} //解锁互斥量
private:
mutable std::mutex m;
mutable bool rootsAreValid { false };
mutable RootsType rootsVals {};
};
std::mutex m被声明为mutable，因为锁定和解锁它的都是non-const成员函数。在roots（const成员函数）中，m却被视为const对象。
值得注意的是，因为std::mutex是一种只可移动类型（move-only type，一种可以移动但不能复制的类型），所以将m添加进Polynomial中的副作用是使Polynomial失去了被复制的能力。不过，它仍然可以移动。
在某些情况下，互斥量的副作用显会得过大。例如，如果你所做的只是计算成员函数被调用了多少次，使用std::atomic 修饰的计数器（保证其他线程视它的操作为不可分割的整体，参见item40）通常会是一个开销更小的方法。（然而它是否轻量取决于你使用的硬件和标准库中互斥量的实现。）以下是如何使用std::atomic来统计调用次数。
class Point { //2D点
public:
…
double distanceFromOrigin() const noexcept //noexcept的使用
{ //参考条款14
++callCount; //atomic的递增
return std::sqrt((x * x) + (y * y));
}
private:
mutable std::atomic<unsigned> callCount{ 0 };
double x, y;
};
与std::mutex一样，std::atomic是只可移动类型，所以在Point中存在callCount就意味着Point也是只可移动的。
因为对std::atomic变量的操作通常比互斥量的获取和释放的消耗更小，所以你可能会过度倾向与依赖std::atomic。例如，在一个类中，缓存一个开销昂贵的int，你就会尝试使用一对std::atomic变量而不是互斥量。
class Widget {
public:
…
int magicValue() const
{
if (cacheValid) return cachedValue;
else {
auto val1 = expensiveComputation1();
auto val2 = expensiveComputation2();
cachedValue = val1 + val2; //第一步
cacheValid = true; //第二步
return cachedValid;
}
}
private:
mutable std::atomic<bool> cacheValid{ false };
mutable std::atomic<int> cachedValue;
};
这是可行的，但难以避免有时出现重复计算的情况。考虑：
- 一个线程调用
Widget::magicValue，将cacheValid视为false，执行这两个昂贵的计算，并将它们的和分配给cachedValue。 - 此时，第二个线程调用
Widget::magicValue，也将cacheValid视为false，因此执行刚才完成的第一个线程相同的计算。（这里的“第二个线程”实际上可能是其他几个线程。）
这种行为与使用缓存的目的背道而驰。将cachedValue和CacheValid的赋值顺序交换可以解决这个问题，但结果会更糟：
class Widget {
public:
…
int magicValue() const
{
if (cacheValid) return cachedValue;
else {
auto val1 = expensiveComputation1();
auto val2 = expensiveComputation2();
cacheValid = true; //第一步
return cachedValue = val1 + val2; //第二步
}
}
…
}
假设cacheValid是false，那么：
- 一个线程调用
Widget::magicValue，刚执行完将cacheValid设置true的语句。 - 在这时，第二个线程调用
Widget::magicValue，检查cacheValid。看到它是true，就返回cacheValue，即使第一个线程还没有给它赋值。因此返回的值是不正确的。
这里有一个坑。对于需要同步的是单个的变量或者内存位置，使用std::atomic就足够了。不过，一旦你需要对两个以上的变量或内存位置作为一个单元来操作的话，就应该使用互斥量。对于Widget::magicValue是这样的。
class Widget {
public:
…
int magicValue() const
{
std::lock_guard<std::mutex> guard(m); //锁定m
if (cacheValid) return cachedValue;
else {
auto val1 = expensiveComputation1();
auto val2 = expensiveComputation2();
cachedValue = val1 + val2;
cacheValid = true;
return cachedValue;
}
} //解锁m
…
private:
mutable std::mutex m;
mutable int cachedValue; //不再用atomic
mutable bool cacheValid{ false }; //不再用atomic
};
现在，这个条款是基于，多个线程可以同时在一个对象上执行一个const成员函数这个假设的。如果你不是在这种情况下编写一个const成员函数——你可以保证在一个对象上永远不会有多个线程执行该成员函数——该函数的线程安全是无关紧要的。比如，为独占单线程使用而设计的类的成员函数是否线程安全并不重要。在这种情况下，你可以避免因使用互斥量和std::atomics所消耗的资源，以及包含它们的类只能使用移动语义带来的副作用。然而，这种线程无关的情况越来越少见，而且很可能会越来越少。可以肯定的是，const成员函数应支持并发执行，这就是为什么你应该确保const成员函数是线程安全的。
请记住：
- 确保
const成员函数线程安全，除非你确定它们永远不会在并发上下文（concurrent context）中使用。 - 使用
std::atomic变量可能比互斥量提供更好的性能，但是它只适合操作单个变量或内存位置。