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C++11修復(fù)了雙重檢查鎖定問(wèn)題

雙重檢查鎖定模式(DCLP)在無(wú)鎖編程(lock-free programming)中經(jīng)常被討論，直到2004年，JAVA才提供了可靠的雙重檢查鎖定實(shí)現(xiàn)。而在C++11之前，C++沒(méi)有提供一種該模式的可移植的可靠實(shí)現(xiàn)。

成都創(chuàng)新互聯(lián)公司專(zhuān)注于紅崗企業(yè)網(wǎng)站建設(shè),自適應(yīng)網(wǎng)站建設(shè),電子商務(wù)商城網(wǎng)站建設(shè)。紅崗網(wǎng)站建設(shè)公司,為紅崗等地區(qū)提供建站服務(wù)。全流程按需開(kāi)發(fā)，專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)，全程項(xiàng)目跟蹤，成都創(chuàng)新互聯(lián)公司專(zhuān)業(yè)和態(tài)度為您提供的服務(wù)

隨著雙重檢查鎖定模式在各語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)上存在的缺點(diǎn)暴露，人們開(kāi)始研究如何安全可靠地實(shí)現(xiàn)它。2000年，一個(gè)JAVA高性能研究小組發(fā)布了一篇聲明《雙重檢查鎖定可能導(dǎo)致鎖定無(wú)效》。2004年，Scott Meyers 和Andrei Alexandrescu聯(lián)合發(fā)表了一篇名為《C++實(shí)現(xiàn)雙重檢查鎖定存在嚴(yán)重缺陷》。這兩篇論文都是重點(diǎn)闡述了雙重檢查鎖定（DCLP）是什么,以及雙重檢查鎖定的意義，和當(dāng)前的各語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)存在諸多不足。

現(xiàn)如今，JAVA為了安全地實(shí)現(xiàn)雙重檢查鎖定修改了其內(nèi)存模型，并引入了關(guān)鍵詞volatile。與此同時(shí)，C++構(gòu)建了一個(gè)全新的內(nèi)存模型和原子 操作庫(kù)（atomic），使得不同編譯器實(shí)現(xiàn)雙重檢查鎖定（DCLP）更為容易。為了在更早期的C\C++編譯器中實(shí)現(xiàn)DCLP，在C++11引入了一個(gè) 名為Mintomic的庫(kù)，在今年早些時(shí)候由我發(fā)布了。

過(guò)去的一段時(shí)間，我都著力于C++中實(shí)現(xiàn)DCLP的研究。

什么是雙重檢查鎖定？

如果你想在多線程編程中安全使用單件模式（Singleton），最簡(jiǎn)單的做法是在訪問(wèn)時(shí)對(duì)其加鎖，使用這種方式，假定兩個(gè)線程同時(shí)調(diào)用Singleton::getInstance方法，其中之一負(fù)責(zé)創(chuàng)建單件：

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. Singleton* Singleton::getInstance() { 
    2. 
  
  
  
  
  2.     Lock lock;      // scope-based lock, released automatically when the function returns 
    3. 
  
  
  
  
  3.     if (m_instance == NULL) { 
    4. 
  
  
  
  
  4.         m_instance = new Singleton; 
    5. 
  
  
  
  
  5.     } 
    6. 
  
  
  
  
  6.     return m_instance; 
    7. 
  
  
  
  
  7. } 
    8.

使用這種方式是可行的，但是當(dāng)單件被創(chuàng)建之后，實(shí)際上你已經(jīng)不需要再對(duì)其進(jìn)行加鎖，加鎖雖然不一定導(dǎo)致性能低下，但是在重負(fù)載情況下，這也可能導(dǎo)致響應(yīng)緩慢。

使用雙重檢查鎖定模式避免了在單件對(duì)象已經(jīng)創(chuàng)建好之后進(jìn)行不必要的鎖定，然而實(shí)現(xiàn)卻有點(diǎn)復(fù)雜，在Meyers-Alexandrescu的論文中也 有過(guò)闡述，文中提出了幾種存在缺陷的實(shí)現(xiàn)方式，并逐一解釋了為什么這樣實(shí)現(xiàn)存在問(wèn)題。在論文的結(jié)尾的第12頁(yè)，給出了一種可靠的實(shí)現(xiàn)方式，實(shí)現(xiàn)依賴(lài)一種標(biāo) 準(zhǔn)中未規(guī)范的內(nèi)存柵欄技術(shù)。

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. Singleton* Singleton::getInstance() { 
    2. 
  
  
  
  
  2.     Singleton* tmp = m_instance; 
    3. 
  
  
  
  
  3.     ...                     // insert memory barrier 
    4. 
  
  
  
  
  4.     if (tmp == NULL) { 
    5. 
  
  
  
  
  5.         Lock lock; 
    6. 
  
  
  
  
  6.         tmp = m_instance; 
    7. 
  
  
  
  
  7.         if (tmp == NULL) { 
    8. 
  
  
  
  
  8.             tmp = new Singleton; 
    9. 
  
  
  
  
  9.             ...             // insert memory barrier 
    10. 
  
  
  
  
  10.             m_instance = tmp; 
    11. 
  
  
  
  
  11.         } 
    12. 
  
  
  
  
  12.     } 
    13. 
  
  
  
  
  13.     return tmp; 
    14. 
  
  
  
  
  14. } 
    15.

這里，我們可以看到：如模式名稱(chēng)一樣，代碼中實(shí)現(xiàn)了雙重校驗(yàn)，在m_instance指針為NULL時(shí)，我們做了一次鎖定，這一過(guò)程在***創(chuàng)建該對(duì)象的線程可見(jiàn)。在創(chuàng)建線程內(nèi)部構(gòu)造塊中，m_instance被再一次檢查，以確保該線程僅創(chuàng)建了一份對(duì)象副本。

這是雙重檢查鎖定的實(shí)現(xiàn)，只不過(guò)在被高亮的代碼行中還缺乏了內(nèi)存柵欄技術(shù)做保證，在此文寫(xiě)就之際，C/C++各編譯器未對(duì)該實(shí)現(xiàn)進(jìn)行統(tǒng)一，而在C++11標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)這種情況下的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了完善和統(tǒng)一。

在C++11中獲取和釋放內(nèi)存柵欄

在C++11中，你可以獲取和釋放內(nèi)存柵欄來(lái)實(shí)現(xiàn)上述功能（如何獲取和釋放內(nèi)存柵欄在我上一篇博文中有講述）。為了使你的代碼在C++各種實(shí)現(xiàn)中具 備更好的可移植性，你應(yīng)該使用C++11中新增的atomic類(lèi)型來(lái)包裝你的m_instance指針，這使得對(duì)m_instance的操作是一個(gè)原子操作。下面的代碼演示了如何使用內(nèi)存柵欄，請(qǐng)注意代碼高亮部分：

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. std::atomic Singleton::m_instance; 
    2. 
  
  
  
  
  2. std::mutex Singleton::m_mutex; 
    3. 
  
  
  
  
  3.   
    4. 
  
  
  
  
  4. Singleton* Singleton::getInstance() { 
    5. 
  
  
  
  
  5.     Singleton* tmp = m_instance.load(std::memory_order_relaxed); 
    6. 
  
  
  
  
  6.     std::atomic_thread_fence(std::memory_order_acquire);  // 編注：原作者提示注意的 
    7. 
  
  
  
  
  7.     if (tmp == nullptr) { 
    8. 
  
  
  
  
  8.         std::lock_guard lock(m_mutex); 
    9. 
  
  
  
  
  9.         tmp = m_instance.load(std::memory_order_relaxed); 
    10. 
  
  
  
  
  10.         if (tmp == nullptr) { 
    11. 
  
  
  
  
  11.             tmp = new Singleton; 
    12. 
  
  
  
  
  12.             std::atomic_thread_fence(std::memory_order_release); // 編注：作者提示注意的 
    13. 
  
  
  
  
  13.             m_instance.store(tmp, std::memory_order_relaxed); 
    14. 
  
  
  
  
  14.         } 
    15. 
  
  
  
  
  15.     } 
    16. 
  
  
  
  
  16.     return tmp; 
    17. 
  
  
  
  
  17. } 
    18.

上述代碼在多核系統(tǒng)中仍然工作正常，這是因?yàn)閮?nèi)存柵欄技術(shù)在創(chuàng)建對(duì)象線程和使用對(duì)象線程之間建立了一種“同步-與”的關(guān)系（synchronizes-with）。Singleton::m_instance扮演了守衛(wèi)變量的角色，而單件本身則作為負(fù)載內(nèi)容。

而其他存在缺陷的雙重檢查鎖定實(shí)現(xiàn)都缺乏該機(jī)制的保障：在沒(méi)有“同步-與”關(guān)系保證的情況下，***個(gè)創(chuàng)建線程的寫(xiě)操作，確切地說(shuō)是在其構(gòu)造函數(shù)中， 可以被其他線程感知，即m_instance指針能被其他線程訪問(wèn)！創(chuàng)建單件線程中的鎖也不起作用，由于該鎖對(duì)其他線程不可見(jiàn)，從而導(dǎo)致在某些情況下，創(chuàng) 建對(duì)象被執(zhí)行多次。

如果你想了解關(guān)于內(nèi)存柵欄技術(shù)是如何可靠實(shí)現(xiàn)雙重檢查鎖定的內(nèi)部原理，在我的前一篇文章中有一些背景信息（previous post），之前的博客也有一些相關(guān)內(nèi)容。

#p#

使用Mintomic 內(nèi)存柵欄

Mintomic是一個(gè)很小的c庫(kù)，提供了C++11 atomic庫(kù)中的一些功能函數(shù)子集，包含獲取和釋放內(nèi)存柵欄，同時(shí)它能工作在早期的編譯器之上。Mintomic依賴(lài)于與C++11相似的內(nèi)存模型—— 確切地說(shuō)是不使用Out-of-thin-air存儲(chǔ)——這一技術(shù)在早期編譯器中未進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，而這是在沒(méi)有C++11標(biāo)準(zhǔn)情況下我們能做的***實(shí)現(xiàn)。以我 多年C++多線程開(kāi)發(fā)的經(jīng)驗(yàn)看來(lái)，Out-of-thin-air存儲(chǔ)并不流行，而且大多數(shù)編譯器會(huì)避免實(shí)現(xiàn)它。

下面的代碼演示了如何使用Mintomic的獲取和釋放內(nèi)存柵欄機(jī)制實(shí)現(xiàn)雙重檢查鎖定，基本上與上面的例子類(lèi)似：

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. mint_atomicPtr_t Singleton::m_instance = { 0 }; 
    2. 
  
  
  
  
  2. mint_mutex_t Singleton::m_mutex; 
    3. 
  
  
  
  
  3.   
    4. 
  
  
  
  
  4. Singleton* Singleton::getInstance() { 
    5. 
  
  
  
  
  5.     Singleton* tmp = (Singleton*) mint_load_ptr_relaxed(&m_instance); 
    6. 
  
  
  
  
  6.     mint_thread_fence_acquire(); 
    7. 
  
  
  
  
  7.     if (tmp == NULL) { 
    8. 
  
  
  
  
  8.         mint_mutex_lock(&m_mutex); 
    9. 
  
  
  
  
  9.         tmp = (Singleton*) mint_load_ptr_relaxed(&m_instance); 
    10. 
  
  
  
  
  10.         if (tmp == NULL) { 
    11. 
  
  
  
  
  11.             tmp = new Singleton; 
    12. 
  
  
  
  
  12.             mint_thread_fence_release(); 
    13. 
  
  
  
  
  13.             mint_store_ptr_relaxed(&m_instance, tmp); 
    14. 
  
  
  
  
  14.         } 
    15. 
  
  
  
  
  15.         mint_mutex_unlock(&m_mutex); 
    16. 
  
  
  
  
  16.     } 
    17. 
  
  
  
  
  17.     return tmp; 
    18. 
  
  
  
  
  18. } 
    19.

為了實(shí)現(xiàn)獲取和釋放內(nèi)存柵欄，Mintomic會(huì)試圖在其支持的編譯器平臺(tái)產(chǎn)生***效的機(jī)器碼。例如，下面的匯編代碼來(lái)自Xbox 360，使用的是PowerPC處理器。在該平臺(tái)上，內(nèi)聯(lián)的lwsync關(guān)鍵字是針對(duì)獲取和釋放內(nèi)存柵欄的優(yōu)化指令。

上述采用C++11標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)編譯的例子在PowerPC處理器編譯應(yīng)該會(huì)產(chǎn)生一樣的匯編代碼（理想情況下）。不過(guò)，我沒(méi)有能夠在PowerPC下編譯C++11來(lái)驗(yàn)證這一點(diǎn)。

使用C++11低階指令順序約束

在C++11中使用內(nèi)存柵欄鎖定技術(shù)可以很方便地實(shí)現(xiàn)雙重檢查鎖定。同時(shí)也保證在現(xiàn)今流行的多核系統(tǒng)中產(chǎn)生優(yōu)化的機(jī)器碼（Mintomic也能做到 這一點(diǎn)）。不過(guò)使用這種方式并不是常用，在C++11中更好的實(shí)現(xiàn)方式是使用保證低階指令執(zhí)行順序約束的原子操作。之前的圖片中可以看到，一個(gè)寫(xiě)-釋放操 作可以與一個(gè)獲取-讀操作同步：

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. std::atomic Singleton::m_instance; 
    2. 
  
  
  
  
  2. std::mutex Singleton::m_mutex; 
    3. 
  
  
  
  
  3.   
    4. 
  
  
  
  
  4. Singleton* Singleton::getInstance() { 
    5. 
  
  
  
  
  5.     Singleton* tmp = m_instance.load(std::memory_order_acquire); 
    6. 
  
  
  
  
  6.     if (tmp == nullptr) { 
    7. 
  
  
  
  
  7.         std::lock_guard lock(m_mutex); 
    8. 
  
  
  
  
  8.         tmp = m_instance.load(std::memory_order_relaxed); 
    9. 
  
  
  
  
  9.         if (tmp == nullptr) { 
    10. 
  
  
  
  
  10.             tmp = new Singleton; 
    11. 
  
  
  
  
  11.             m_instance.store(tmp, std::memory_order_release); 
    12. 
  
  
  
  
  12.         } 
    13. 
  
  
  
  
  13.     } 
    14. 
  
  
  
  
  14.     return tmp; 
    15. 
  
  
  
  
  15. } 
    16.

從技術(shù)上講，使用這種形式的無(wú)鎖同步比獨(dú)立內(nèi)存柵欄技術(shù)限制更低。上述操作只是為了防止自身操作的內(nèi)存排序，而內(nèi)存柵欄技術(shù)則阻止了臨近操作的內(nèi)存 排序。盡管如此,現(xiàn)今的x86/64,ARMv6 / v7,和PowerPC處理器架構(gòu)，針對(duì)這兩種形式產(chǎn)生的機(jī)器碼應(yīng)該是一致的。在我之前的博文中，我展示了C++11低階指令順序約束在ARM7中使用了 dmb指令，這和使用內(nèi)存柵欄技術(shù)產(chǎn)生的匯編代碼相一致。

上述兩種方式在Itanium平臺(tái)可能產(chǎn)生不一樣的機(jī)器碼，在Itanium平臺(tái)上，C++11標(biāo)準(zhǔn)中的 load(memory_order_acquire)可以用單CPU指令：ld.acq，而store(tmp, memory_order_release)使用st.rel就可以實(shí)現(xiàn)。

在ARMv8處理器架構(gòu)中，也提供了和Itanium指令等價(jià)的ldar 和 stlr 指令，而不同的地方是：這些指令還會(huì)導(dǎo)致stlr和后續(xù)ldar之間進(jìn)一級(jí)的存儲(chǔ)裝載指令進(jìn)行排序。實(shí)際上，ARMv8的新指令試圖實(shí)現(xiàn)C++11標(biāo)準(zhǔn)中 的順序約束原子操作，這會(huì)在后面進(jìn)一步講述。

使用C++順序一致的原子操作

C++11標(biāo)準(zhǔn)提供了一個(gè)不同的方式來(lái)編寫(xiě)無(wú)鎖程序（可以把雙重檢查鎖定歸類(lèi)為無(wú)鎖編程的一種，因?yàn)椴皇撬芯€程都會(huì)獲取鎖）。在所有原子操作庫(kù)方 法中使用可選參數(shù)std::memory_order可以使得所有原子變量變?yōu)轫樞虻脑硬僮鳎╯equentially consistent），方法的默認(rèn)參數(shù)為std::memory_order_seq_cst。使用順序約束（SC）原子操作庫(kù)，整個(gè)函數(shù)執(zhí)行都將保證 順序執(zhí)行，并且不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)競(jìng)態(tài)（data races）。順序約束（SC）原子操作和JAVA5版本之后出現(xiàn)的volatile變量很相似。

使用SC原子操作實(shí)現(xiàn)雙重檢查鎖定的代碼如下：和前面的例子一樣，高亮的第二行會(huì)與***次創(chuàng)建單件的線程進(jìn)行同步與操作。

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. std::atomic Singleton::m_instance; 
    2. 
  
  
  
  
  2. std::mutex Singleton::m_mutex; 
    3. 
  
  
  
  
  3.   
    4. 
  
  
  
  
  4. Singleton* Singleton::getInstance() { 
    5. 
  
  
  
  
  5.     Singleton* tmp = m_instance.load(); 
    6. 
  
  
  
  
  6.     if (tmp == nullptr) { 
    7. 
  
  
  
  
  7.         std::lock_guard lock(m_mutex); 
    8. 
  
  
  
  
  8.         tmp = m_instance.load(); 
    9. 
  
  
  
  
  9.         if (tmp == nullptr) { 
    10. 
  
  
  
  
  10.             tmp = new Singleton; 
    11. 
  
  
  
  
  11.             m_instance.store(tmp); 
    12. 
  
  
  
  
  12.         } 
    13. 
  
  
  
  
  13.     } 
    14. 
  
  
  
  
  14.     return tmp; 
    15. 
  
  
  
  
  15. } 
    16.

順序約束（SC）原子操作使得開(kāi)發(fā)者更容易預(yù)測(cè)代碼執(zhí)行結(jié)果，不足之處在于使用順序約束（SC）原子操作類(lèi)庫(kù)的代碼效率要比之前的例子低一些。例如，在x64位機(jī)器上，上述代碼使用Clang3.3優(yōu)化后產(chǎn)生如下匯編代碼：

由于使用了順序約束（SC）原子操作類(lèi)庫(kù)，變量m_instance的存儲(chǔ)操作使用了xchg指令，在x64處理器上相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)存柵欄操作。該指 令在x64位處理器是一個(gè)長(zhǎng)周期指令，使用輕量級(jí)的mov指令也可以完成操作。不過(guò)，這影響不大，因?yàn)閤chg指令只被單件創(chuàng)建過(guò)程調(diào)用一次。

不過(guò)，在PowerPC or ARMv6/v7處理器上編譯上述代碼，產(chǎn)生的匯編操作要糟糕得多，具體情形可以參見(jiàn)Herb Sutter的演講（atomic Weapons talk, part 2.00:44:25 – 00:49:16）。

#p#

使用C++11數(shù)據(jù)順序依賴(lài)原理

上面的例子都是使用了創(chuàng)建單件線程和使用單件其他線程之間的同步與關(guān)系。守衛(wèi)的是數(shù)據(jù)指針單個(gè)元素，開(kāi)銷(xiāo)也是創(chuàng)建單件內(nèi)容本身。這里，我將演示一種使用數(shù)據(jù)依賴(lài)來(lái)保護(hù)防衛(wèi)的指針。

在使用數(shù)據(jù)依賴(lài)時(shí)候，上述例子中都使用了一個(gè)讀-獲取操作，這也會(huì)產(chǎn)生性能消耗，我們可以使用消費(fèi)指令來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化。消費(fèi)指令（consume instruction）非?？?，在PowerPc處理器上它使用了lwsync指令，在ARMv7處理器上則編譯為dmd指令。今后我會(huì)寫(xiě)一些文章來(lái)講 述消費(fèi)指令和數(shù)據(jù)依賴(lài)機(jī)制。

使用C++11靜態(tài)初始化

一些讀者可能已經(jīng)知道C++11中，你可以跳過(guò)之前的檢查過(guò)程而直接得到線程安全的單件。你只需要使用一個(gè)靜態(tài)初始化：

C++11標(biāo)準(zhǔn)在6.7.4節(jié)中規(guī)定：

如果指令邏輯進(jìn)入一個(gè)未被初始化的聲明變量，所有并發(fā)執(zhí)行應(yīng)當(dāng)?shù)却瓿稍撟兞客瓿沙跏蓟?/p>

上述操作在編譯時(shí)由編譯器保證。雙重檢查鎖定則可以利用這一點(diǎn)。編譯器并不保證會(huì)使用雙重檢查鎖定，但是大部分編譯器會(huì)這樣做。gcc4.6使用-std=c++0x編譯選項(xiàng)在ARM處理器產(chǎn)生的匯編代碼如下：

由于單件使用的是一個(gè)固定地址，編譯器會(huì)使用一個(gè)特殊的防衛(wèi)變量來(lái)完成同步。請(qǐng)注意這里，在初始化變量讀操作時(shí)沒(méi)有使用dmb指令來(lái)獲取一個(gè)內(nèi)存柵 欄。守衛(wèi)變量指向了單件，因此編譯器可以使用數(shù)據(jù)依賴(lài)原則來(lái)避免使用dmb指令的開(kāi)銷(xiāo)。__cxa_guard_release指令扮演了一個(gè)寫(xiě)-釋放來(lái) 解除變量守衛(wèi)。一旦守衛(wèi)柵欄被設(shè)置，這里存在一個(gè)指令順序強(qiáng)制在讀-消費(fèi)操作之前。這里和前面的例子一樣，對(duì)內(nèi)存排序的進(jìn)行適應(yīng)性的變更。

前面的長(zhǎng)篇累牘主要講述了C++11標(biāo)準(zhǔn)修復(fù)了雙層檢查鎖定實(shí)現(xiàn)，并且講述了其他一些相關(guān)知識(shí)。

就我個(gè)人而言，我認(rèn)為應(yīng)當(dāng)在程序初始化時(shí)就初始化一個(gè)singleton。使用雙重檢查鎖定可以幫你將任意數(shù)據(jù)類(lèi)型存儲(chǔ)在一個(gè)無(wú)鎖的哈希表中。這會(huì)在后續(xù)的文章進(jìn)一步闡述。

原文鏈接：http://preshing.com/20130930/double-checked-locking-is-fixed-in-cpp11/

譯文鏈接：http://blog.jobbole.com/52164/


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