用于初始化“thread_local”变量的函数调用是否保证是线程安全的？

Question

考虑以下

rand_double()

的实现，其中有一个

thread_local

函数变量

seed

，在每个线程中使用

std::random_device{}()

进行初始化：

auto rand_double(double min, double max) {
    thread_local uint64_t seed = std::random_device{}();
    // ^^ Are the calls to std::random_device guaranteed to not interleave?

    /* Generate random `double` and return it... */
}

我了解到静态函数变量的初始化保证是线程安全的。但是，我还没有找到一个来源来说明当使用 function 初始化

static

函数变量时，对该函数的调用是否不会交错。 有人可以确认使用函数来初始化

static

（特别是

thread_local

- 有区别吗？）函数变量是否是线程安全的？

Answer 1

让我们看看你在做什么：

1. 您创建一个

   std::random_device

   作为自动（函数局部）变量。这是线程安全的。这是 C++ 标准的标准保证，请参阅第 16.5.5.10 节数据竞争避免

   [res.on.data.races]

   :

2 C++ 标准库函数不得直接或间接访问当前线程以外的线程可访问的对象 (6.9.2)，除非通过函数的参数直接或间接访问对象，包括

this

。

3 C++ 标准库函数不得直接或间接修改当前线程以外的线程可访问的对象 (6.9.2)，除非通过函数的非常量参数直接或间接访问对象，包括

this

。

4 [注意：这意味着，例如，在没有同步的情况下，实现不能将静态对象用于内部目的，因为即使在线程之间未显式共享对象的程序中，它也可能导致数据争用。 — 尾注]

2. 当前线程使用该随机设备来检索一个种子值。出于同样的原因，这是线程安全的。是的，当随机设备访问操作系统的共享熵池时，在幕后会发生一些同步，但这是库的工作，而不是您的工作。

3. 您从该种子初始化一个线程本地对象。当然安全啦

4. 你摧毁了随机设备。和上面一样

您的使用是线程安全的，因为每个线程都使用自己的

std::random_device

。

现在的问题是，这是一种明智的做事方式吗？我看到了两个问题：

1. 每个线程使用一个随机设备是相当昂贵的。 那些东西有一些开销
2. 它让你面临生日问题。两个线程最终可能具有相同的种子值。机会很低（除非您创建大量线程）但存在

这是基于该链接博客文章中的建议的替代方案，即为线程使用顺序种子值。

auto rand_double(double min, double max) {
    static std::atomic<std::uint64_t> process_seed = std::random_device{}();
    thread_local std::uint64_t seed =
          process_seed.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed);
}

或者通过不检查线程本地种子之前的

process_seed

来节省大约两条指令和每次调用一次跳转：

auto next_seed()
{
    static std::atomic<std::uint64_t> process_seed = std::random_device{}();
    return process_seed.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed);
}
auto rand_double(double min, double max) {
    thread_local std::uint64_t seed = next_seed();
    
}

这应该可以消除生日问题，并且还会降低每个新线程的成本。如果您运行多重处理（例如 MPI），您还应该将进程索引号纳入种子中。

此代码的一个潜在缺点是，使用一个线程的状态，您可以猜测相邻线程的随机状态。这在某些服务器应用程序中可能是一个问题，但对于其他应用程序（例如蒙特卡洛计算）来说，这似乎更合适。

旁注：

std::random_device::result_type

是一个简单的

unsigned int

。你是零扩展的。如果您想要真正的 64 位种子，则需要进行多次调用。像这样的东西：

std::uint64_t random_device_seed()
{
    std::uniform_int_distribution<std::uint64_t> distr; // full range
    std::random_device rng;
    return distr(rng);
}

并且，是的，只是为了澄清：出于与上面讨论的相同原因，像

static auto seed = random_device_seed()

或

thread_local auto seed = random_device_seed()

这样的东西将是线程安全的。