c++ - 访问类私有(private)的大量数据的正确方法是什么？

Question

我只是想知道如何用 C98 解决这个问题(所以没有 shared_ptr):

• 我有一个非常大的类，其中包含大量数据 (BigData)
• 我有一个 DataStorage 类，用于跟踪 map
中的数据
• 数据不太可能改变，但可以

• 我在多线程环境中

   class BigData;
  
   class DataStorage{
    public:
         const BigData *getStuff(int which_one) const{
            lock_guard<mutex> guard(mut);     
             return &myReallyBigDatas[which_one]; // thanks Donghui
         }
    protected:
       mutable mutex mut;
       map<int,BigData> myReallyBigDatas;
   }
  

(根据 Keith M 的建议。我没有提到我试图解决的问题)

我知道这段代码是错误的，从我的角度来看，我想解决两个主要问题:

1. 如果返回的对象因为 map 上的这个位置被删除或覆盖而消失(我将有一个指向任何地方的指针，UB!)
2. 如果修改返回的BigData实例

当然，我想找到一个解决方案，避免将来其他人更改此代码时出错

我想到了这些解决方案:

1. 在 BigData 中加入一个互斥量。这解决了问题 2
2. 更改函数以返回一个真实的对象，而不是一个指针(这非常好，但缺点是在复制一个非常大的类时会降低性能)这解决了这两个问题
3. 实现我自己的 shared_ptr 类(不能使用 C11 或 boost)。这解决了问题 1
4. 在类 DataStorage 上创建锁定/解锁(真的很糟糕!)。这解决了这两个问题
5. 保持错误并多多祈祷。这....

我很确定很多人在遗留代码中找到了这样一段代码，我想找到最好的解决方案。

附言我知道我正在使用 C11 互斥锁。我的真实代码没有它，但是用这种方式编写示例代码更容易。

Answer 1

实际上，shared_ptr和 mutex彼此完全独立，您可能需要两者 - shared_ptr用于保证恰好一次资源释放，而mutex用于保证没有并发读/写操作(或并发读取，取决于互斥类型)。

使用 shared_ptr基本上意味着没有数据的单一所有者。虽然这是可以管理的(例如引用计数)，但它并不总是最好的解决方案(记住循环依赖，需要 weak_ptr 等)——有时最好找到一个资源所有者来负责当它不再需要时释放它(例如，如果你有一个工作线程池，它可能是产生其他线程的线程) - 当然，你必须保证它比其他人活得更久，使每个人都可以访问的数据。因此，您有多种选择来管理对象的生命周期:

• “借用”来自 boost/C++11 标准库/Loki/some-other-existing-implementation 的代码(检查许可证以验证您是否可以使用它们)而不使用整个库 - 您可能需要对它们进行更改
• 编写您自己的智能指针 - 很难并且仅适用于专业人士 - 完全不推荐
• 选择资源的单一所有者 - 这是我的建议

当谈到访问冲突管理时，基本上有两种方法:

• 使用某种锁来管理它们(我假设您有一把锁)
• 通过只允许一个线程写入对象来避免它们。其他通常可能想要的将不得不从“所有者线程”请求写入。这种方法非常适合单个资源所有者，但它更像是一个参与者模型，而不是典型的共享内存多线程，因此可能很难在遗留应用程序中引入。

您可以将锁与任何树内存管理方法一起使用，单作者方法最适合单所有者。请注意，这是范式的重大变化，可能需要大量工作来实现诸如消息队列和工作人员之类的东西。

如果您已经拥有基础设施(队列、工作人员等)，我建议您考虑单一所有者、单一作者方法，否则带锁的单一所有者可能是一个很好的解决方案。如果您无法选择单个所有者，请从现有库中提取代码 - 不要自己编写，因为您会犯一些错误，并且多线程环境中的内存管理真的很困难

编辑 1

既然你已经把问题说清楚了，我觉得回答有点太高了，所以我再补充一些细节。

您可以做的最简单的事情就是返回 BigData&而不是 BigData* - 那时没有人应该删除它(当然这是可能的，但实际上一切都在 C++ 中)。否则，您还可以:

• 只允许单线程使用单BigData实例 -(例如，通过存储额外的 std::map<int, thread_id> 以及有关已用 BigData 的信息 - 仅当您不需要从多个线程并发访问同一实例时
• 返回类似 BigDataProxy 的内容而不是 BigData - Proxy应该有一个特殊的资源删除功能，然后由“最后一个感兴趣的人”执行 - 这实际上只是 shared_ptr 的一个特例，但可能更容易实现。

概念上是 Proxy事情会是这样的(伪代码 - 忽略私有(private)/公共(public)成员等):

class BigDataProxy {
  public:
  BigDataProxy(data_, instanceId_): data(data_), instanceId(instanceId_) {
    std::lock_guard l(data.mutex);
    data.interestedThreads[instanceId].insert(this_thread::thread_id);
  }

  ~BigDataProxy() {
    std::lock_guard l(data.mutex);
    data.interestedThreads[instanceId].remove(this_thread::thread_id)
    if(data.interestedThreads[instanceId].empty() && data.toDelete.contains(instanceId) {
      data.elems.remove(instanceId);
      data.toDelete.remove(instanceId);
    }
  }

  BigData& operator*() {
    return data.elems[instanceId];
  }
  void remove() {
     std::lock_guard l(data.mutex);
     data.toDelete.add(instanceId);
  }

  private: 
    DataStorage& data;
    int instanceId;
}

随着 DataStorage 的变化要求它看起来像这样:

class DataStorage {

  std::mutex mutex;
  std::map<int, BigData> elems;
  std::set<int> toDelete;
  std::map<int, std::set<thread_id> > interested_threads;
}

请注意，这是伪代码，异常处理在这里会很困难。