std::cout 插入运算符的线程安全

Question

我一直认为使用 std::cout << something 是线程安全的。

对于这个小例子

#include <iostream>
#include <thread>

void f()
{
   std::cout << "Hello from f\n";
}

void g()
{
   std::cout << "Hello from g\n";
}

int main()
{
   std::thread t1(f);
   std::thread t2(g);
   t1.join();
   t2.join();
}

我的期望是两个输出的顺序是未定义的（这确实是我在实践中观察到的），但是对 operator<< 的调用是线程安全的。

然而，ThreadSanitizer、DRD 和 Helgrind 似乎都给出了关于访问 std::__1::ios_base::width(long) 和 std::__1::basic_ios::fill()[ 的各种错误=42=]

我没有在编译器资源管理器上 see any errors。

在 FreeBSD 13 上，ThreadSanitizer 给了我 3 个警告，上面列出的两个加上底层 i/o 缓冲区的 malloc/memcpy。

同样在 FreeBSD 13 中，DRD 给出了 4 个错误，width() 和 fill() 是两个线程的两倍。

最后，FreeBSD 13 Helgrind 在线程创建中给出了一个与 TLS 相关的已知误报，fill()和 width() 两次。

在 Fedora 34 上

g++ 11.2.1 和 ThreadSanitizer 没有错误
DRD 在使用 g++ 编译的 exe 的 fwrite 中抱怨 malloc/memcpy
Helgrind 也抱怨 fwrite 和 cout 的构造，再次使用 g++ 编译的 exe
clang++ 12 ThreadSanitizer 抱怨 fill() 和 width()
使用 clang++ 编译器 exe 的 DRD 抱怨 fill()、width()、fwrite 和 start_thread
带有 clang++ exe 的 Helgrind 抱怨一些 TLS，fill()，width()，fwrite

macOS XCode clang++ ThreadSanitizer 也会生成警告（将是 libc++）。

查看 libc++ 和 libstdc++ 代码，我没有看到任何保护 width() 的东西。所以我不明白为什么编译器资源管理器上没有投诉。

我尝试了运行 TSAN_OPTIONS=print_suppressions=1 并且没有更多的输出 (g++ Fedora ThreadSanitizer)

似乎对 width() 和 fill() 呼吁达成了一些共识。

仔细查看 libstdc++ 源代码，我发现有（有一些修剪和评论）：

// ostream_insert.h
// __n is the length of the string pointed to by __s
  template<typename _CharT, typename _Traits>
    basic_ostream<_CharT, _Traits>&
    __ostream_insert(basic_ostream<_CharT, _Traits>& __out,
             const _CharT* __s, streamsize __n)
{
    typedef basic_ostream<_CharT, _Traits>       __ostream_type;
    typedef typename __ostream_type::ios_base    __ios_base;

    typename __ostream_type::sentry __cerb(__out);
    if (__cerb)
    {
        __try
        {
            const streamsize __w = __out.width();
            if (__w > __n)
            {
                // snipped
                // handle padding
            }
            else
              __ostream_write(__out, __s, __n);
          // why no hazard here?
          __out.width(0);
      }

__out 是流对象，在本例中是全局的 cout。我没有看到任何类似锁或原子的东西。

关于 ThreadSanitizer/g++ 如何获得“干净”输出的任何建议？

有这个有点神秘的评论


  template<typename _CharT, typename _Traits>
    basic_ostream<_CharT, _Traits>::sentry::
    sentry(basic_ostream<_CharT, _Traits>& __os)
    : _M_ok(false), _M_os(__os)
    {
      // XXX MT
      if (__os.tie() && __os.good())
    __os.tie()->flush();

libc++ 代码看起来很相似。在iostream

template<class _CharT, class _Traits>
basic_ostream<_CharT, _Traits>&
__put_character_sequence(basic_ostream<_CharT, _Traits>& __os,
                          const _CharT* __str, size_t __len)
{
#ifndef _LIBCPP_NO_EXCEPTIONS
    try
    {
#endif // _LIBCPP_NO_EXCEPTIONS
        typename basic_ostream<_CharT, _Traits>::sentry __s(__os);
        if (__s)
        {
            typedef ostreambuf_iterator<_CharT, _Traits> _Ip;
            if (__pad_and_output(_Ip(__os),
                                 __str,
                                 (__os.flags() & ios_base::adjustfield) == ios_base::left ?
                                     __str + __len :
                                     __str,
                                 __str + __len,
                                 __os,
                                 __os.fill()).failed())
                __os.setstate(ios_base::badbit | ios_base::failbit);

并在 locale


template <class _CharT, class _OutputIterator>
_LIBCPP_HIDDEN
_OutputIterator
__pad_and_output(_OutputIterator __s,
                 const _CharT* __ob, const _CharT* __op, const _CharT* __oe,
                 ios_base& __iob, _CharT __fl)
{
    streamsize __sz = __oe - __ob;
    streamsize __ns = __iob.width();
    if (__ns > __sz)
        __ns -= __sz;
    else
        __ns = 0;
    for (;__ob < __op; ++__ob, ++__s)
        *__s = *__ob;
    for (; __ns; --__ns, ++__s)
        *__s = __fl;
    for (; __ob < __oe; ++__ob, ++__s)
        *__s = *__ob;
    __iob.width(0);
    return __s;
}

我再次看到没有线程保护，但这次工具也检测到了危险。

这些是真正的问题吗？对于 operator<< 的普通调用，width 的值不会改变，并且始终为 0。

Answer 1

libstdc++ 不会产生错误，而 libc++ 会产生错误。

iostream.objects.overview Concurrent access to a synchronized ([ios.members.static]) standard iostream object's formatted and unformatted input ([istream]) and output ([ostream]) functions or a standard C stream by multiple threads does not result in a data race ([intro.multithread]).

所以这对我来说看起来像是一个 libc++ 错误。

Answer 2

我从 Jonathan Wakely 那里得到了答案。让我觉得自己很蠢。

不同之处在于，在 Fedora 上，libstdc++.so 包含 iostream 类的显式实例化。 libstdc++.so 未针对 ThreadSanitizer 进行检测，因此它无法检测到任何与之相关的危险。

std::cout 插入运算符的线程安全

Thread safety of std::cout insertion operator

multithreading

c++11

valgrind

thread-sanitizer