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C++11中的雙重檢查鎖定模式

雙重檢查鎖定模式(DCLP)在無鎖編程方面是有點(diǎn)兒臭名昭著案例學(xué)術(shù)研究的味道。直到2004年，使用java開發(fā)并沒有安全的方式來實現(xiàn)它。在 c++11之前，使用便捷式c+開發(fā)并沒有安全的方式來實現(xiàn)它。由于引起人們關(guān)注的缺點(diǎn)模式暴露在這些語言之中，人們開始寫它。一組高調(diào)的java聚集在 一起開發(fā)人員并簽署了一項聲明，題為：“雙重檢查鎖定壞了”。在2004年斯科特 、梅爾斯和安德烈、亞歷山發(fā)表了一篇文章，題為：“c+與雙重檢查鎖定 的危險”對于DCLP是什么？這兩篇文章都是偉大的引物，為什么呢？在當(dāng)時看來，這些語言都不足以實現(xiàn)它。

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在過去。java現(xiàn)在可以為修訂內(nèi)存模型，為thevolatileeyword注入新的語義，使得它盡可然安全實現(xiàn)DCLP.同樣地，c+11有一個全 新的內(nèi)存模型和原子庫使得各種各樣的便捷式DCLP得以實現(xiàn)。c+11反過來啟發(fā)Mintomic,一個小型圖書館，我今年早些時候發(fā)布的，這使得它盡可 能的實現(xiàn)一些較舊的c/c++編譯器以及DCLP.

在這篇文章中，我將重點(diǎn)關(guān)注c++實現(xiàn)的DCLP.

什么是雙重檢查鎖定？

假設(shè)你有一個類，它實現(xiàn)了著名的Singleton 模式，現(xiàn)在你想讓它變得線程安全。顯然的一個方法就是通過增加一個鎖來保證互斥共享。這樣的話，如果有兩個線程同時調(diào)用了Singleton::getInstance，將只有其中之一會創(chuàng)建這個單例。

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. Singleton* Singleton::getInstance() { Lock lock; // scope-based lock, released automatically when the function returns if (m_instance == NULL) {
    2. 
  
  
  
  
  2.         m_instance = new Singleton;
    3. 
  
  
  
  
  3.     } return m_instance;
    4. 
  
  
  
  
  4. }
    5.

這是完全合法的方法，但是一旦單例被創(chuàng)建，實際上就不再需要鎖了。鎖不一定慢，但是在高并發(fā)的條件下，不具有很好的伸縮性。

雙重檢查鎖定模式避免了在單例已經(jīng)存在時候的鎖定。不過如Meyers-Alexandrescu的論文所顯示的，它并不簡單。在那篇論文中，作者描述了幾個有缺陷的用C++實現(xiàn)DCLP的嘗試，并剖析了每種情況為什么是不安全的。最后，在第12頁，他們給出了一個安全的實現(xiàn)，但是它依賴于非指定的，特定平臺的內(nèi)存屏障(memory barriers)。

(譯注：內(nèi)存屏障就是一種干預(yù)手段. 他們能保證處于內(nèi)存屏障兩邊的內(nèi)存操作滿足部分有序)

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. Singleton* Singleton::getInstance() { 
    2. 
  
  
  
  
  2.     Singleton* tmp = m_instance; ... // insert memory barrier if (tmp == NULL) { 
    3. 
  
  
  
  
  3.         Lock lock; 
    4. 
  
  
  
  
  4.         tmp = m_instance; if (tmp == NULL) { 
    5. 
  
  
  
  
  5.             tmp = new Singleton; ... // insert memory barrier m_instance = tmp; 
    6. 
  
  
  
  
  6.         } 
    7. 
  
  
  
  
  7.     } return tmp; 
    8. 
  
  
  
  
  8. } 
    9.

這里，我們可以發(fā)現(xiàn)雙重檢查鎖定模式是由此得名的：在單例指針m_instance為NULL的時候，我們僅僅使用了一個鎖，這個鎖使偶然訪問到該單例的第一組線程繼續(xù)下去。而在鎖的內(nèi)部，m_instance被再次檢查，這樣就只有第一個線程可以創(chuàng)建這個單例了。

這與可運(yùn)行的實現(xiàn)非常相近。只是在突出顯示的幾行漏掉了某種內(nèi)存屏障。在作者寫這篇論文的時候，還沒有填補(bǔ)此項空白的輕便的C/C++函數(shù)?，F(xiàn)在，C++11已經(jīng)有了。

用 C++11 獲得與釋放屏障

你可以用獲得與釋放屏障 安全的完成上述實現(xiàn)，在我以前的文章中我已經(jīng)詳細(xì)的解釋過這個主題。不過，為了讓代碼真正的具有可移植性，你還必須要將m_instance包裝成原子類型，并且用放松的原子操作（譯注：即非原子操作）來操作它。這里給出的是結(jié)果代碼，獲取與釋放屏障部分高亮了。

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. std::atomic Singleton::m_instance;
    2. 
  
  
  
  
  2. std::mutex Singleton::m_mutex;
    3. 
  
  
  
  
  3. 
  
  
  
  
  4. Singleton* Singleton::getInstance() {
    5. 
  
  
  
  
  5.     Singleton* tmp = m_instance.load(std::memory_order_relaxed); std::atomic_thread_fence(std::memory_order_acquire); if (tmp == nullptr) {
    6. 
  
  
  
  
  6.         std::lock_guard lock(m_mutex);
    7. 
  
  
  
  
  7.         tmp = m_instance.load(std::memory_order_relaxed); if (tmp == nullptr) {
    8. 
  
  
  
  
  8.             tmp = new Singleton; std::atomic_thread_fence(std::memory_order_release); m_instance.store(tmp, std::memory_order_relaxed);
    9. 
  
  
  
  
  9.         }
    10. 
  
  
  
  
  10.     } return tmp;
    11. 
  
  
  
  
  11. }
    12.

即使是在多核系統(tǒng)上，它也可以令人信賴的工作，因為內(nèi)存屏障在創(chuàng)建單例的線程與其后任何跳過這個鎖的線程之間，創(chuàng)建了一種同步的關(guān)系。Singleton::m_instance充當(dāng)警衛(wèi)變量，而單例本身的內(nèi)容充當(dāng)有效載荷。

所有那些有缺陷的DCLP實現(xiàn)都忽視了這一點(diǎn)：如果沒有同步的關(guān)系，將無法保證第一個線程的所有寫操作——特別是，那些在單例構(gòu)造器中執(zhí)行的寫操作——可以對第二個線程可見，雖然m_instance指針本身是可見的！第一個線程具有的鎖也對此無能為力，因為第二個線程不必獲得任何鎖，因此它能并發(fā)的運(yùn)行。

如果你想更深入的理解這些屏障為什么以及如何使得DCLP具有可信賴性，在我以前的文章中有一些背景信息，就像這個博客早前的文章一樣。

使用 Mintomic 屏障

Mintomic 是一個小型的C語言的庫，它提供了C++11原子庫的一個功能子集，其中包含有獲取與釋放屏障，而且它是運(yùn)行于更老的編譯器之上的。Mintomic依賴于這樣的假設(shè) ，即C++11的內(nèi)存模型——特殊的是，其中包括無中生有的存儲 ——因為它不被更老的編譯器支持，不過這已經(jīng)是我們不通過C++11能做到的最佳程度了。記住這些東西可是若干年來我們在寫多線程C++代碼時的環(huán)境。無 中生有的存儲（Out-of-thin-air stores）已被時間證明是不流行的，而且好的編譯器也基本上不會這么做。

這里有一個DCLP的實現(xiàn)，就是用Mintomic來獲取與釋放屏障的。和前面使用C++11獲取和釋放屏障的例子比起來，它基本上是等效的。

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. mint_atomicPtr_t Singleton::m_instance = { 0 };
    2. 
  
  
  
  
  2. mint_mutex_t Singleton::m_mutex;
    3. 
  
  
  
  
  3. 
  
  
  
  
  4. Singleton* Singleton::getInstance() {
    5. 
  
  
  
  
  5.     Singleton* tmp = (Singleton*) mint_load_ptr_relaxed(&m_instance); mint_thread_fence_acquire(); if (tmp == NULL) {
    6. 
  
  
  
  
  6.         mint_mutex_lock(&m_mutex);
    7. 
  
  
  
  
  7.         tmp = (Singleton*) mint_load_ptr_relaxed(&m_instance); if (tmp == NULL) {
    8. 
  
  
  
  
  8.             tmp = new Singleton; mint_thread_fence_release(); mint_store_ptr_relaxed(&m_instance, tmp);
    9. 
  
  
  
  
  9.         }
    10. 
  
  
  
  
  10.         mint_mutex_unlock(&m_mutex);
    11. 
  
  
  
  
  11.     } return tmp;
    12. 
  
  
  
  
  12. }
    13.

#p#

使用c++ 11低級排序約束

C++11的獲取與釋放屏障可以正確的實現(xiàn)DCLP，而且應(yīng)該能夠針對當(dāng)今大多數(shù)的多核設(shè)備，生成優(yōu)化的機(jī)器代碼（就像Mintomic做的那樣），但是它們似乎不是非常時髦。在C++11中獲得同等效果的選擇方法，應(yīng)該是使用基于低級排序約束的原子操作。正如我先前所說，一條寫釋放(write-release)可以同步于一條讀獲取(read-acquire)。

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. std::atomic Singleton::m_instance;
    2. 
  
  
  
  
  2. std::mutex Singleton::m_mutex;
    3. 
  
  
  
  
  3. 
  
  
  
  
  4. Singleton* Singleton::getInstance() { Singleton* tmp = m_instance.load(std::memory_order_acquire); if (tmp == nullptr) {
    5. 
  
  
  
  
  5.         std::lock_guard lock(m_mutex);
    6. 
  
  
  
  
  6.         tmp = m_instance.load(std::memory_order_relaxed); if (tmp == nullptr) {
    7. 
  
  
  
  
  7.             tmp = new Singleton; m_instance.store(tmp, std::memory_order_release); }
    8. 
  
  
  
  
  8.     } return tmp;
    9. 
  
  
  
  
  9. }
    10.

從技術(shù)上說，這種無鎖的同步形式，比使用獨(dú)立屏障的形式，要不那么嚴(yán)格；上面的操作只是意味著阻止它們自己周圍的內(nèi)存重新排序，這與獨(dú)立的屏障不同，后者意味著阻止所有相鄰的操作的特定類型的內(nèi)存重排序。盡管如此，在x86/64, ARMv6/v7,以及 PowerPC架構(gòu)上，對于這兩種形式,可能的最好代碼都是相同的。例如，在一篇早前文章中，我演示了在ARMv7編譯器上，C++11低級排序約束是如何發(fā)送dmb指令的，而這也正是你在使用獨(dú)立屏障時所期待的同樣事情。

這兩種形式有可能會生成不同機(jī)器代碼的一個平臺是Itanium。Itanium可以使用一條單獨(dú)的CPU指令，ld.acq來實現(xiàn)C++11的 load(memory_order_acquire)，并可以使用st.rel來實現(xiàn)store(tmp, memory_order_release)。我很想研究一下這些指令與獨(dú)立屏障之間的性能差異，可是我找不到可用的Itanium機(jī)器。

另一個這樣的平臺是最近出現(xiàn)的ARMv8架構(gòu)。ARMv8提供了ldar和stlr指令，除了它們也增強(qiáng)了stlr指令以及任何后續(xù)的ldar指令之間的存儲加載排序以外，其它的都與Itanium的ld.acq和st.rel指令很相似。事實上，ARMv8的這些新指令意在實現(xiàn)C++11的SC原子操作，這在后面會講到。

使用 C++11的順序一致原子

C++11提供了一種完全不同的方法來寫無鎖代碼。（我們可以認(rèn)為在某些特定的代碼路徑上DCLP是“無鎖”的，因為并不是所有的線程都具有鎖。）如果在 所有原子庫函數(shù)上，你忽略了可選的std::memory_order參數(shù)，那么默認(rèn)值std::memory_order_seq_cst就會將所有的 原子變量轉(zhuǎn)變?yōu)轫樞蛞恢碌?sequentially consistent) (SC)原子。通過SC原子，只要不存在數(shù)據(jù)競爭，整個算法就可以保證是順序一致的。SC原子Java 5+中的volatile變量非常相似。

這里是使用SC原子的一個DCLP實現(xiàn)。如之前所有例子一樣，一旦單例被創(chuàng)建，第二行高亮將與第一行同步。

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. std::atomic Singleton::m_instance;
    2. 
  
  
  
  
  2. std::mutex Singleton::m_mutex;
    3. 
  
  
  
  
  3. 
  
  
  
  
  4. Singleton* Singleton::getInstance() { Singleton* tmp = m_instance.load(); if (tmp == nullptr) {
    5. 
  
  
  
  
  5.         std::lock_guard lock(m_mutex);
    6. 
  
  
  
  
  6.         tmp = m_instance.load(); if (tmp == nullptr) {
    7. 
  
  
  
  
  7.             tmp = new Singleton; m_instance.store(tmp); }
    8. 
  
  
  
  
  8.     } return tmp;
    9. 
  
  
  
  
  9. }
    10.

SC原子被認(rèn)為可以使程序員更容易思考。其代價是生成的機(jī)器代碼似乎比之前的例子效率要低。例如，這里有有一些關(guān)于上面代碼清單的x64機(jī)器代碼，由Clang 3.3在啟用代碼優(yōu)化的條件下生成：

由于我們使用了SC原子，保存到m_instance是由xchg指令實現(xiàn)的，在x64上它具有內(nèi)存屏障作用。這比x64中DCLP實際需要的指令更強(qiáng)。 只需一條簡單的mov指令就可以做這項工作。不過這并不十分要緊，因為在單例首次創(chuàng)建的代碼路徑上，xchg指令只下發(fā)一次。

另一方面，如果你給PowerPC 或 ARMv6/v7編譯SC原子指令，你十有八九會得到糟糕的機(jī)器代碼。其中的細(xì)節(jié)，請看Herb Sutter的atomic<> 武器說話,第 2部分的00:44:25 - 00:49:16段落。

使用 C++11 的數(shù)據(jù)相關(guān)性排序

在上面所有我給出的例子中，在創(chuàng)建單例的那個線程，與其后任何越過鎖的線程之間，有一種同步的關(guān)系。警衛(wèi)變量就是單例指針，有效載荷是單例自身的內(nèi)容。在本例中，有效載荷被認(rèn)為是警衛(wèi)指針的一個相關(guān)性數(shù)據(jù)。

人們后來發(fā)現(xiàn)，當(dāng)存在數(shù)據(jù)相關(guān)性時，上面所有例子中都用到的讀獲?。╮ead-acquire）操作，將極富殺傷力！我們用消費(fèi)操作（consume operation）來替代它要好一點(diǎn)。消費(fèi)操作很酷，因為它們消除了PowerPC中的一條lwsync指令，以及ARMv7中的一條dmb指令。在將來的一篇文章中，我將更多的談?wù)摰接嘘P(guān)數(shù)據(jù)相關(guān)性和消費(fèi)操作的內(nèi)容。

使用C++11中的靜態(tài)初始化器

有些讀者已經(jīng)知道這篇文章的妙語：如果你想得到一個線程安全的實例，C++11不允許你跳過以上的所有步驟。你可以簡單使用一個靜態(tài)初始化器。

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. Singleton& Singleton::getInstance() { 
    2. 
  
  
  
  
  2.     static Singleton instance; return instance;
    3. 
  
  
  
  
  3. }
    4.

讓我們回到6.7.6節(jié)查看C++11的標(biāo)準(zhǔn)：

  如果控制進(jìn)入申明同時變量將被初始化的時候，那么并發(fā)執(zhí)行將會等到初始化的完成。

由編譯器來臨時代替實現(xiàn)的細(xì)節(jié)，DCLP明顯是一個不錯的選擇。不能保證編譯器將會使用DCLP,但一些（也許更多）卻碰巧發(fā)生了。使用the-std=c++0x選項對ARM進(jìn)行編譯,生成了下面的一些機(jī)器碼，這些機(jī)器碼是由GCC 4.6生成的。

由于單例創(chuàng)建于固定地址，為了同步的目的，編譯器引進(jìn)了一個獨(dú)立的警衛(wèi)變量。特別需要注意的 是，在最初讀到這個警衛(wèi)變量之后，并沒有現(xiàn)成的dmb指令可以用來獲取內(nèi)存屏障。警衛(wèi)變量是指向單例的指針，因此編譯器可以利用數(shù)據(jù)相關(guān)性，省略掉這種 dmb指令。__cxa_guard_release對警衛(wèi)變量執(zhí)行了一個寫釋放（write-release）操作，這樣只要警衛(wèi)變量已設(shè)置，在讀消費(fèi) （read-consume）之前就建立了依賴順序，就像前面所有例子里那樣，基于對內(nèi)存的重新排序，整個事情開始變得有彈性。

如你所見，我們已伴隨C++11走過了一段漫長的道路。雙重檢查鎖定是一種穩(wěn)定的模式，而且還遠(yuǎn)不止此！

就個人而言，我常常想，如果是需要初始化一個單例，最好是在程序啟動的時候做這個事情。但是顯然DCLP可以拯救你于泥潭。而且在實際的使用中，你還可以用DCLP來將任意數(shù)值類型存儲到一個無鎖的哈希表。在以后的文章中會有更多關(guān)于它的論述。


文章題目：C++11中的雙重檢查鎖定模式
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