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深入理解線程安全與Singleton

2020-01-26 15:51:12
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來源:轉載
供稿:網友

線程安全是個非常棘手的問題。即使你合理的使用了鎖(lock),依然可能不會產生預期的效果。
讓我們來看看貌似合理的代碼

復制代碼 代碼如下:

X=0;
Thread 1                   Thread2
lock();  lock();
x++;    x++;
unlock();  unlock();

你會認為執行完這兩個線程之后,X的一定值等于2?沒錯,因為lock()和unlock()的保護,x++的執行并不會被打斷。(為什么++操作會被多線程給擾亂呢?原因就在于++操作在被編譯成匯編之后對應到了多條匯編代碼。)但是,編譯器卻可能因為自作聰明的優化,把x放到register里面(因為寄存器速度快嘛),也就是說當Thread1執行完x++之后,被Thread2打斷,但是1這個值只保存到了寄存器x里,沒有寫入內存中的x變量里。隨后Thread2執行完成后,內存中x的值等于1,此時,Thread1再執行完,內存中的x又被寫入為1.
原來都是編譯器倒得鬼!

再看一個例子

復制代碼 代碼如下:

x=y=0;
Thread1                        Thread2
y=1;                                x=1;
r1=x;                               r2=y;

當你拍胸脯向崇拜你的MM保證說:r1或者r2至少有一個為1的時候,可惜編譯器又再一次的站到了你的對立面。

原因是早在十幾年前還是幾十年前,編譯器就有了這么一種優化機制,為了提高效率而交換指令的序列。所以上面的代碼到了可能變成了這樣:

復制代碼 代碼如下:

x=y=0;
Thread1                        Thread2
r1=x;                             r2=y;
y=1;                              x=1;                


知道你錯了吧~還好我們還有volatile:
1. 阻止編譯器為了提高速度將變量緩存寄存到寄存器內而不寫回內存。
2. 阻止編譯器調整操作指令序列

哈哈,可惜道高一尺,魔高一丈。CPU動態調度的功能,CPU可以交換指令序列。volatile幫不了你,但宙斯大帝為我們發明了:barrier指令(這是一個CPU的指令)能夠幫組我們阻止CPU調整操作指令序列。
好想目前我們解決了現場安全的問題了。

有一個著名的與換序有關的問題來至于Singleton模式的double-check。代碼大概是這樣子的:

復制代碼 代碼如下:

volatile Singleton* Singleton::_instance = 0;

復制代碼 代碼如下:

static Singleton& Instance() {
      if (0 == _instance) {
          Lock lock(_mutex);
          if (0 == _instance) {
              _instance = new Singleton();
              atexit(Destroy);
          }
      }
      return *_instance;
 }

簡單的說,編譯器為了效率可能會重排指令的執行順序(compiler-based reorderings)。
看這一行代碼:
_instance = new Singleton();

在編譯器未優化的情況下順序如下:
1.new operator分配適當的內存;
2.在分配的內存上構造Singleton對象;
3.內存地址賦值給_instance。

但是當編譯器優化后執行順序可能如下:
1.new operator分配適當的內存;
2.內存地址賦值給_instance;
3.在分配的內存上構造Singleton對象。

當編譯器優化后,如果線程一執行到2后被掛起。線程二開始執行并發現0 == _instance為false,于是直接return,而這時Singleton對象可能還未構造完成,后果...

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