预留空间的C++ vector是否线程安全？代码安全性咨询

已知一般情况下C++ STL不保证读写操作的线程安全性。若vector不会扩容，且读写区域不重叠，情况会如何？下方代码是否存在问题？（确保数据永远不会超过v的预留长度）

class Foo {
public:
    Foo(){
        v.reserve(99999);
        startWriter();
        startReader();
    }
    void startWriter() {
        std::thread t([&](){
            while (true) {
               if (auto message = bar.recieve(); !message.is_empty()) { 
                   v.push_back(message.value());
               }
            }
        });
        t.detach();
    }
    void startReader() {
        std::thread t([&](){
            int last_idx = 0;
            while (true) {
                int new_idx = v.size();
                for (int i = last_idx; i < new_idx; ++i) {
                    v2.push_back(v[i]);
                }
                last_idx = new_idx;
                sleep(3);
            }
        });
        t.detach();
    }
private:
    vector<int> v;
    vector<int> v2;
    Bar bar;
};

或者改用v = vector<int>(99999);并通过v[actual_size++] = message.value();的方式？还是这两种方式都不具备线程安全性？

两种实现的问题分析 #

第一种reserve+push_back的实现

即使提前reserve避免了扩容，这个代码依然存在严重的线程安全问题：

• push_back操作除了写入新元素，还会修改vector内部的size成员变量。C++标准没有规定vector的size()读取或push_back修改size的过程是原子操作，writer线程修改size和reader线程读取v.size()属于无同步的并发读写，会导致数据竞争，触发未定义行为。
• 即使reader线程读到了正确的size，在访问v[i]时，可能writer线程正在写入该位置的元素，同样是无同步的读写并发，属于未定义行为。

第二种预分配数组+手动计数的实现

这种方式同样不具备线程安全性：

• actual_size++不是原子操作，它包含读取、加1、写入三个步骤，多线程环境下会出现计数错误；即使是单writer线程，reader线程读取actual_size时没有同步机制，可能读到过期的旧值。
• 当writer线程写入v[actual_size]的同时，reader线程访问该位置，属于无同步的读写并发，依然是C++内存模型中的数据竞争，触发未定义行为。

正确的处理方式 #

只要是多线程对共享的vector（或其关联的计数变量）进行读写操作，必须引入同步机制：

• 使用std::mutex保护所有对vector和计数变量的访问，确保同一时间只有一个线程操作共享资源。
• 用std::atomic<int>来管理actual_size，并通过合适的std::memory_order内存序保证元素写入的可见性，避免reader读到未完全写入的元素。
• 直接使用现成的线程安全数据结构，比如实现生产者-消费者模型的队列，避免手动管理vector的并发问题。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Wayne Tseng