使用std::atomic_flag作为同步机制删除共享状态是否安全合规？

问题背景 #

我有一个被两个线程并发使用的共享状态，当两个线程均不再使用该状态时，它已无存在价值，必须被删除。想确认是否可以安全、合规地使用std::atomic_flag作为同步机制，来决定由哪个线程执行该共享状态的删除操作。

项目场景：存在一个由这类状态组成的自定义链表，目标是防止链表无限增长。若指定单个线程拥有状态的所有权，该线程需要定期执行清理操作，我希望避免这种机制，能在两个线程均使用完毕后立即删除链表节点。

代码示例 #

#include <atomic>
#include <thread>

struct State
{
    std::atomic_flag flag;

    auto eliminate() {
        // 设置flag表示线程已用完状态；第二个线程执行删除操作
        if (flag.test_and_set())
            delete this;
    }
};

int main()
{
    auto s = new State{};
    auto t1 = std::thread{[=] { s->eliminate(); }};
    auto t2 = std::thread{[=] { s->eliminate(); }};
    t1.join();
    t2.join();
}

分析与结论 #

核心逻辑的安全性 #

你的核心思路是可行的，但现有代码存在一个关键问题：std::atomic_flag未初始化。std::atomic_flag默认是未初始化状态，直接使用会导致未定义行为，必须用ATOMIC_FLAG_INIT完成初始化。

修正后的代码（初始化atomic_flag）：

struct State
{
    std::atomic_flag flag = ATOMIC_FLAG_INIT; // 强制初始化flag为未设置状态

    auto eliminate() {
        if (flag.test_and_set())
            delete this;
    }
};

在修正初始化问题后，这个实现是安全且符合C++标准的：

1. 原子操作的同步性：test_and_set()是原子操作，默认使用memory_order_seq_cst内存顺序，保证两个线程对flag的操作有全局一致的执行顺序。第一个调用eliminate()的线程会将flag设为true并返回false，不会执行delete this；第二个线程调用时，test_and_set()返回true，执行删除操作，不会出现重复删除或漏删的情况。
2. delete this的合规性：C++标准允许delete this，只要满足两个条件：对象是通过new分配的，且delete之后不再访问该对象的任何成员。这里第一个线程在test_and_set()之后没有访问State的任何成员，第二个线程执行delete后也不会再访问，完全符合要求。

必须遵守的约束 #

1. 严格控制调用次数：必须确保恰好只有两个线程调用eliminate()。如果超过两个线程调用，会导致多个线程执行delete this，触发多次释放同一内存的未定义行为；如果少于两个线程，对象永远不会被删除。
2. 调用后的访问限制：任何线程在调用eliminate()之后，绝对不能再访问该State对象（包括调用成员函数、访问成员变量、通过指针/引用间接访问），否则会触发访问已释放内存的未定义行为。
3. 链表场景的额外注意：在自定义链表中使用时，必须确保在调用eliminate()之前，该节点已经从链表中移除，或者其他线程不会再尝试访问该节点。否则可能出现其他线程访问已被删除的链表节点，导致程序崩溃或数据损坏。

总结 #

在正确初始化std::atomic_flag，且严格遵守调用次数、访问限制等约束的前提下，这个实现可以安全、合规地完成双线程共享状态的即时删除，避免单线程定期清理的开销。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Maarten Bamelis