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深入理解線程安全與Singleton

更新時(shí)間：2013年09月18日 09:22:42 作者：

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

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

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簿褪钦f(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(xiě)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(xiě)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(xiě)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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