多线程环境下修改虚函数调用指针是否安全？

在多线程应用场景中，当两个或多个并行线程通过指针调用虚函数时，另有线程修改该指针指向的对象，这种操作是否安全？是否需要采取线程安全措施？

参考示例代码：

class Scene {
public:
  virtual void render() const = 0;
  virtual void update() const = 0;
};

class D1: public Scene {
    // members
public:
  virtual void render() const { /* work with D1 members */ }
  virtual void update() const { /* work with D1 members */ }
};

class D2: public Scene {
    // members
public:
  virtual void render() const { /* work with D2 members */ }
  virtual void update() const { /* work with D2 members */ }
};
// …线程1中执行
Scene *scene=new D1;
…
Scene *scene=new D2;
// …线程2中执行
scene->render();
// …线程3中执行
scene->update();

风险分析 #

这种操作存在明确风险：虚函数调用并非原子操作。编译器处理虚函数调用时，可能分两步读取指针：先读取指针作为隐式this参数，之后再次读取指针以获取虚函数表、调用对应虚函数。如果这两次读取之间，其他线程修改了scene指针的指向，就会出现用旧对象（比如D1）的this指针调用新对象（比如D2）的虚函数的错误，导致不可预测的行为（比如访问错误的成员变量、内存越界等）。

另外，volatile关键字无法解决这个问题：volatile仅能阻止编译器优化对变量的读取，确保每次读取都直接访问内存，但它不提供线程间的同步语义，也无法保证两次读取操作的原子性，依然存在中间被其他线程修改的可能。

临时副本解决方案 #

可以通过创建指针的临时副本来规避风险，代码示例如下：

// …线程2中执行
Scene* safe_copy_scene = scene;
safe_copy_scene->render();

核心疑问 #

上述临时副本方案是否必要？虚函数调用是否在该场景下具备原子性，且由C++标准保证、不受编译器或优化设置影响？

专业解答 #

1. 临时副本方案是必要的
   这个方案能确保虚函数调用过程中使用的是同一个指针值：先一次性读取scene指针到临时变量safe_copy_scene，后续的虚函数调用都基于这个固定的副本，避免了指针被其他线程修改带来的不一致问题。

2. C++标准不保证虚函数调用具备原子性
   虚函数调用的底层实现依赖于读取指针、访问虚函数表、跳转执行函数这几个步骤，这些步骤在C++标准中没有被定义为原子操作。编译器和CPU都可能对指令进行重排序或拆分，完全可能出现两次读取指针的间隙被其他线程修改的情况，无论优化设置如何，标准都不保证这种场景的线程安全。

3. 额外说明
   如果要从根本上解决这类线程同步问题，除了临时副本，还可以使用互斥锁（比如std::mutex）保护scene指针的读写操作：修改指针时加锁，调用虚函数前也加锁，确保同一时间只有一个线程访问或修改该指针。这种方式比临时副本更严谨，能避免指针修改和函数调用之间的其他竞态条件。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Damir Tenishev