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深入理解線程安全與Singleton

來(lái)源:本站原創(chuàng)|時(shí)間:2020-01-10|欄目:C語(yǔ)言|點(diǎn)擊:

線程安全是個(gè)非常棘手的問(wèn)題。即使你合理的使用了鎖(lock),依然可能不會(huì)產(chǎn)生預(yù)期的效果。
讓我們來(lái)看看貌似合理的代碼

復(fù)制代碼 代碼如下:

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

你會(huì)認(rèn)為執(zhí)行完這兩個(gè)線程之后,X的一定值等于2?沒(méi)錯(cuò),因?yàn)閘ock()和unlock()的保護(hù),x++的執(zhí)行并不會(huì)被打斷。(為什么++操作會(huì)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(duì)應(yīng)到了多條匯編代碼。)但是,編譯器卻可能因?yàn)樽宰髀斆鞯膬?yōu)化,把x放到register里面(因?yàn)榧拇嫫魉俣瓤炻铮?,也就是說(shuō)當(dāng)Thread1執(zhí)行完x++之后,被Thread2打斷,但是1這個(gè)值只保存到了寄存器x里,沒(méi)有寫入內(nèi)存中的x變量里。隨后Thread2執(zhí)行完成后,內(nèi)存中x的值等于1,此時(shí),Thread1再執(zhí)行完,內(nèi)存中的x又被寫入為1.
原來(lái)都是編譯器倒得鬼!

再看一個(gè)例子

復(fù)制代碼 代碼如下:

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

當(dāng)你拍胸脯向崇拜你的MM保證說(shuō):r1或者r2至少有一個(gè)為1的時(shí)候,可惜編譯器又再一次的站到了你的對(duì)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(yōu)化機(jī)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(fù)制代碼 代碼如下:

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


知道你錯(cuò)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(nèi)而不寫回內(nèi)存。
2. 阻止編譯器調(diào)整操作指令序列

哈哈,可惜道高一尺,魔高一丈。CPU動(dòng)態(tài)調(diào)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(fā)明了:barrier指令(這是一個(gè)CPU的指令)能夠幫組我們阻止CPU調(diào)整操作指令序列。
好想目前我們解決了現(xiàn)場(chǎng)安全的問(wèn)題了。

有一個(gè)著名的與換序有關(guān)的問(wèn)題來(lái)至于Singleton模式的double-check。代碼大概是這樣子的:

復(fù)制代碼 代碼如下:

volatile Singleton* Singleton::_instance = 0;

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

在編譯器未優(yōu)化的情況下順序如下:
1.new operator分配適當(dāng)?shù)膬?nèi)存;
2.在分配的內(nèi)存上構(gòu)造Singleton對(duì)象;
3.內(nèi)存地址賦值給_instance。

但是當(dāng)編譯器優(yōu)化后執(zhí)行順序可能如下:
1.new operator分配適當(dāng)?shù)膬?nèi)存;
2.內(nèi)存地址賦值給_instance;
3.在分配的內(nèi)存上構(gòu)造Singleton對(duì)象。

當(dāng)編譯器優(yōu)化后,如果線程一執(zhí)行到2后被掛起。線程二開(kāi)始執(zhí)行并發(fā)現(xiàn)0 == _instance為false,于是直接return,而這時(shí)Singleton對(duì)象可能還未構(gòu)造完成,后果...

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