我先說(shuō)一個(gè)前提如果你寫(xiě)過(guò)多線(xiàn)程 C你遲早會(huì)遇到這么一種崩潰——日志上沒(méi)有任何明顯異常報(bào)錯(cuò)位置每次都不一樣甚至同一個(gè)版本跑了幾天才出現(xiàn)一次。某個(gè)項(xiàng)目組曾經(jīng)有個(gè)采集模塊十幾個(gè)工作線(xiàn)程會(huì)同時(shí)更新一個(gè)保存統(tǒng)計(jì)結(jié)果的靜態(tài)成員變量代碼量不大邏輯也不復(fù)雜但壓測(cè)跑到兩千萬(wàn)請(qǐng)求量的時(shí)候進(jìn)程開(kāi)始偶發(fā)異常退出。查了幾天最后定位到根因我才真正意識(shí)到一個(gè)很多人沒(méi)當(dāng)回事的事實(shí)靜態(tài)成員變量的線(xiàn)程安全問(wèn)題從來(lái)不只是“結(jié)果不對(duì)”那么簡(jiǎn)單。從一個(gè)普通類(lèi)成員開(kāi)始靜態(tài)成員變量和普通成員變量在內(nèi)存與生命周期上的差異決定了它天然就是多線(xiàn)程程序的雷區(qū)。這篇內(nèi)容適合正在寫(xiě)或維護(hù)多線(xiàn)程 C 服務(wù)的開(kāi)發(fā)者也適合把 C11 之后新特性當(dāng)黑盒在用的朋友。我會(huì)先講清楚為什么靜態(tài)成員變量容易出問(wèn)題再給出鎖、原子變量、線(xiàn)程局部存儲(chǔ)和單例場(chǎng)景的正確做法最后用 ThreadSanitizer 演示一次真實(shí)的競(jìng)態(tài)定位過(guò)程。整個(gè)過(guò)程盡量少堆標(biāo)準(zhǔn)條文多給能直接落地的結(jié)論。1. 靜態(tài)成員變量與普通成員變量的本質(zhì)區(qū)別——線(xiàn)程不安全的根源1.1 它根本不在對(duì)象里內(nèi)存與生命周期先講一個(gè)經(jīng)常被忽視的事實(shí)靜態(tài)成員變量并不存在任何對(duì)象實(shí)例里。類(lèi)里面的非靜態(tài)數(shù)據(jù)成員每個(gè)對(duì)象都有一份整體存放在對(duì)象的內(nèi)存布局中靜態(tài)成員變量則完全不同它在程序的數(shù)據(jù)段或 BSS 段分配空間生命周期從程序加載開(kāi)始一直持續(xù)到進(jìn)程退出。用一個(gè)不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)芎糜浀念?lèi)比普通成員變量是每個(gè)對(duì)象自己的私人物品靜態(tài)成員變量是類(lèi)名下的公共倉(cāng)庫(kù)所有對(duì)象共用同一扇門(mén)、同一份庫(kù)存。這個(gè)差異直接帶來(lái)兩個(gè)結(jié)果。第一sizeof(對(duì)象)完全不包含靜態(tài)成員你把實(shí)例創(chuàng)建、銷(xiāo)毀多少次它都紋絲不動(dòng)進(jìn)程不結(jié)束它就不釋放。第二任何線(xiàn)程都能通過(guò)類(lèi)名訪(fǎng)問(wèn)這同一個(gè)實(shí)體不需要先拿到對(duì)象指針也不需要經(jīng)過(guò)實(shí)例方法。從多線(xiàn)程的角度看它和一個(gè)用 extern 聲明的全局變量沒(méi)有任何區(qū)別區(qū)別只在于名字前面多了一個(gè)類(lèi)的作用域前綴。所以當(dāng)你想“把它當(dāng)作類(lèi)的一部分因此天然受到類(lèi)設(shè)計(jì)的保護(hù)”時(shí)這種保護(hù)并不存在。它不是對(duì)象成員它是全局狀態(tài)。全局狀態(tài)一旦允許寫(xiě)就必須在所有寫(xiě)者和讀者之間建立同步否則就是在走鋼絲。1.2 共享帶來(lái)的一觸即發(fā)一個(gè)副本和 N 個(gè)線(xiàn)程共享帶來(lái)的問(wèn)題用一個(gè)最樸素的場(chǎng)景就能說(shuō)明。假設(shè)你寫(xiě)了這樣一個(gè)類(lèi)class Metrics { public: static long total; }; long Metrics::total 0;然后八個(gè)線(xiàn)程各自執(zhí)行Metrics::total;跑十萬(wàn)次按直覺(jué)總該是八十萬(wàn)了吧實(shí)測(cè)大概率不是數(shù)值可能小于八十萬(wàn)而且每次都不一樣。之所以這樣是因?yàn)閠otal在底層并不是一步操作。它要先從內(nèi)存把total讀到寄存器加一再寫(xiě)回內(nèi)存。兩個(gè)線(xiàn)程可能同時(shí)讀到同一個(gè)舊值然后各自加一寫(xiě)回兩次加一只有一次生效。這就是數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)的最小雛形。如果你覺(jué)得這只是數(shù)值誤差那還不夠嚴(yán)重。C 標(biāo)準(zhǔn)把這種并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)定義為未定義行為意味著編譯器可以做任何它認(rèn)為合理的優(yōu)化結(jié)果甚至不一定是“數(shù)值偏小”。這一點(diǎn)放到第二章細(xì)講。1.3 早就該破除的誤區(qū)volatile 不解決線(xiàn)程安全這里必須先破除一個(gè)流傳很久的誤解加個(gè) volatile 就能解決。volatile 告訴編譯器“這個(gè)變量可能在別處被修改不要把它優(yōu)化到寄存器里”它確實(shí)能讓一些極端場(chǎng)景下更容易觀(guān)察到正確值但它既不能保證操作的原子性也不能提供多線(xiàn)程之間的順序約束。在 C 的內(nèi)存模型里volatile 和線(xiàn)程同步機(jī)制是兩個(gè)維度。想達(dá)到線(xiàn)程安全要么用原子操作要么用互斥量要么在線(xiàn)程內(nèi)部私有一份數(shù)據(jù)。volatile 幫不上忙反而可能給你一種“我已經(jīng)處理過(guò)了”的錯(cuò)覺(jué)讓隱患繼續(xù)潛伏。2. 數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)是未定義行為不是“結(jié)果不對(duì)”2.1count在匯編層面到底做了什么我們前面看到了total不是一步這里把它看成三條指令會(huì)更清楚讀、改、寫(xiě)。CPU 執(zhí)行時(shí)會(huì)加載load修改modify存儲(chǔ)store。無(wú)論是編譯器還是 CPU都不會(huì)因?yàn)槟銓?xiě)了“一句代碼”就保證三者之間沒(méi)有別人插進(jìn)來(lái)。更麻煩的是編譯器在優(yōu)化時(shí)可以把不相關(guān)的代碼重排可以在滿(mǎn)足“單線(xiàn)程可觀(guān)察語(yǔ)義”的前提下自由安排讀寫(xiě)順序多線(xiàn)程環(huán)境下的觀(guān)察結(jié)果就和源代碼順序沒(méi)什么必然關(guān)系了。所以?xún)蓚€(gè)線(xiàn)程分別執(zhí)行total可能出現(xiàn)兩個(gè)線(xiàn)程都讀到 0、都寫(xiě)回 1最終total是 1 而不是 2。這個(gè)結(jié)果在單線(xiàn)程世界里不可能出現(xiàn)但在并發(fā)世界里是完全合法的未定義行為。不要把這種錯(cuò)誤歸類(lèi)為“精度損失”它不屬于任何數(shù)值誤差范疇。2.2 CPU 緩存、指令重排與 happened-before即使沒(méi)有編譯器重排CPU 這一層也有自己的脾氣?，F(xiàn)代多核處理器每個(gè)核都有獨(dú)立的 L1/L2 緩存一個(gè)核寫(xiě)入total后新的值可能還在自己的緩存行里還沒(méi)有同步到共享內(nèi)存另一個(gè)核在另一個(gè)時(shí)刻讀到的仍舊是舊值。硬件會(huì)通過(guò)緩存一致性協(xié)議最終保持一致但“最終”是多長(zhǎng)時(shí)間、什么順序程序如果不使用同步原語(yǔ)觀(guān)察不到確定的邊界。C 內(nèi)存模型引入了一個(gè)核心概念happens-before。你只有在兩個(gè)線(xiàn)程之間建立某種同步關(guān)系讓一個(gè)線(xiàn)程的寫(xiě)操作在另一個(gè)線(xiàn)程的讀操作之前發(fā)生數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)才被排除。能夠建立這種關(guān)系的機(jī)制只有少數(shù)幾種互斥鎖的加鎖與解鎖、std::atomic 的讀寫(xiě)以及相應(yīng)的內(nèi)存序、線(xiàn)程的 join 等。普通的賦值和讀取無(wú)法建立這種關(guān)系。這也就是說(shuō)判斷一段代碼是否線(xiàn)程安全不能靠“我運(yùn)行了好幾次都沒(méi)出事”。你只是沒(méi)有撞上那個(gè)時(shí)機(jī)并不代表它沒(méi)有發(fā)生數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)。2.3 “崩潰在很遠(yuǎn)的地方”是怎么發(fā)生的數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)最坑的地方在于問(wèn)題不一定出現(xiàn)在肇事代碼附近。線(xiàn)程 A 先寫(xiě)了共享靜態(tài)對(duì)象線(xiàn)程 B 在另一個(gè)函數(shù)里讀它中間隔著大量調(diào)用。編譯器發(fā)現(xiàn)某個(gè)字段只在個(gè)別路徑被寫(xiě)而其他路徑讀出來(lái)可能是個(gè)未初始化或部分更新的值于是大膽把看起來(lái)很冗余的代碼刪掉或者把分支重排。最終表現(xiàn)是某個(gè)不相關(guān)的邏輯點(diǎn)開(kāi)始出錯(cuò)離源頭十萬(wàn)八千里。我開(kāi)頭說(shuō)的那個(gè)服務(wù)崩潰堆棧在日志模塊和對(duì)象析構(gòu)里真正原因卻是另一個(gè)線(xiàn)程在改緩存。這就是為什么這類(lèi)問(wèn)題特別難查。你盯著崩潰堆棧找原因找三天也可能找不到因?yàn)橐蚬湕l已經(jīng)被編譯器和緩存切碎了。3. 靜態(tài)成員初始化階段的線(xiàn)程安全魔法靜態(tài)與隱藏的坑3.1 C11 之后的局部靜態(tài)變量魔法靜態(tài)先說(shuō)一個(gè)好消息C11 之后的函數(shù)局部靜態(tài)變量其初始化是線(xiàn)程安全的。標(biāo)準(zhǔn)要求當(dāng)控制流并發(fā)進(jìn)入某個(gè)局部靜態(tài)變量的聲明時(shí)初始化必須只發(fā)生一次其他線(xiàn)程要等待這次初始化完成。編譯器通常會(huì)在變量旁邊生成一個(gè) guard 標(biāo)志第一次進(jìn)入時(shí)加鎖并判斷狀態(tài)后續(xù)進(jìn)入直接跳過(guò)初始化。你對(duì)這個(gè)機(jī)制最常見(jiàn)的感知就是所謂“魔法靜態(tài)”。來(lái)看最典型的寫(xiě)法class Logger { public: static Logger get() { static Logger instance; return instance; } private: Logger() { /* ... */ } };多個(gè)線(xiàn)程第一次同時(shí)調(diào)用get()會(huì)有一個(gè)線(xiàn)程真正構(gòu)造instance其余線(xiàn)程阻塞等待。構(gòu)造完成之后后續(xù)調(diào)用不再有任何加鎖開(kāi)銷(xiāo)。這個(gè)特性后來(lái)成為安全單例的基石第五章會(huì)再提到。這里值得注意的是線(xiàn)程安全保障僅限于“初始化那一次”。如果你之后還在多線(xiàn)程里修改instance的內(nèi)部狀態(tài)那依然是數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)。魔法靜態(tài)只負(fù)責(zé)把對(duì)象造出來(lái)不負(fù)責(zé)你后續(xù)怎么用。3.2 類(lèi)靜態(tài)數(shù)據(jù)成員初始化時(shí)機(jī)與靜態(tài)初始化順序問(wèn)題那類(lèi)里直接定義的靜態(tài)成員變量呢比如static Metrics metrics;這種非常量表達(dá)式初始化通常發(fā)生在程序啟動(dòng)的動(dòng)態(tài)初始化階段。絕大多數(shù)程序在這個(gè)階段還沒(méi)有創(chuàng)建業(yè)務(wù)線(xiàn)程所以并發(fā)初始化的問(wèn)題不突出但另一個(gè)問(wèn)題隨之而來(lái)不同編譯單元的靜態(tài)對(duì)象初始化順序在 C 標(biāo)準(zhǔn)里是不確定的。假如Metrics的構(gòu)造函數(shù)依賴(lài)另一個(gè)全局配置對(duì)象的初始化結(jié)果而那個(gè)對(duì)象恰好在你這個(gè)編譯單元之后才初始化就會(huì)出現(xiàn)“構(gòu)造時(shí)訪(fǎng)問(wèn)未初始化對(duì)象”的經(jīng)典故障通常叫靜態(tài)初始化順序問(wèn)題。解決思路有兩個(gè)方向。一是把非平凡的初始化延遲到第一次使用時(shí)函數(shù)局部靜態(tài)是現(xiàn)成的工具二是消除依賴(lài)構(gòu)造時(shí)不依賴(lài)其他全局狀態(tài)。如果項(xiàng)目里有多個(gè) .cpp 都定義了帶有動(dòng)態(tài)初始化的靜態(tài)成員并且它們之間存在依賴(lài)不要指望鏈接順序救你標(biāo)準(zhǔn)層面就不可靠。3.3 類(lèi)模板里的靜態(tài)成員延遲實(shí)例化的特殊場(chǎng)景類(lèi)模板的靜態(tài)成員還有一處容易被忽略多數(shù)情況下模板靜態(tài)成員的定義是在頭文件里實(shí)例化發(fā)生在第一次使用某個(gè)具體模板參數(shù)時(shí)。也就是說(shuō)它可能不是在程序啟動(dòng)階段初始化的而是在運(yùn)行中某個(gè)線(xiàn)程第一次觸發(fā)實(shí)例化時(shí)才進(jìn)行動(dòng)態(tài)初始化。如果你在頭文件里寫(xiě)了這樣的東西template typename T struct Registry { static std::mapT, int table; }; template typename T std::mapT, int RegistryT::table;那么Registryint::table這個(gè)對(duì)象到底在哪個(gè)線(xiàn)程第一次被實(shí)例化取決于哪段代碼先被調(diào)用。多個(gè)線(xiàn)程同時(shí)首次觸碰不同實(shí)例時(shí)編譯器需要保證靜態(tài)成員初始化線(xiàn)程安全但實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)可能比局部靜態(tài)更微妙。我的建議是別讓模板靜態(tài)成員承載非平凡的動(dòng)態(tài)初始化需要時(shí)就放在一個(gè)函數(shù)局部靜態(tài)對(duì)象后面讓那個(gè)標(biāo)準(zhǔn)保證的守衛(wèi)機(jī)制來(lái)兜底template typename T struct Registry { static std::mapT, int table() { static std::mapT, int table; return table; } };這樣得到的仍然是你想要的進(jìn)程級(jí)唯一實(shí)例但初始化時(shí)機(jī)由函數(shù)局部靜態(tài)統(tǒng)一接管行為更可控。4. 鎖、原子變量、線(xiàn)程局部存儲(chǔ)——三類(lèi)做法怎么選4.1 互斥鎖最簡(jiǎn)單也最容易被用錯(cuò)的方案如果共享靜態(tài)成員是一段需要保持多個(gè)字段一致的復(fù)雜數(shù)據(jù)直接用互斥鎖是最穩(wěn)的方案。原則很樸素凡是可能發(fā)生讀寫(xiě)的入口全部經(jīng)過(guò)同一個(gè)鎖。寫(xiě)要鎖讀也要鎖。很多人只給寫(xiě)加鎖讀不加鎖認(rèn)為“讀一下問(wèn)題不大”實(shí)際上讀線(xiàn)程和寫(xiě)線(xiàn)程之間沒(méi)有任何同步關(guān)系讀線(xiàn)程完全可能讀到寫(xiě)了一半的數(shù)據(jù)這依然是數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)。一個(gè)常見(jiàn)的類(lèi)是這樣class Metrics { public: static void Add(long v) { std::lock_guardstd::mutex lock(mu_); total_ v; count_ 1; } static long Snapshot() { std::lock_guardstd::mutex lock(mu_); return total_ / count_; } private: static std::mutex mu_; static long total_; static int count_; }; std::mutex Metrics::mu_; long Metrics::total_ 0; int Metrics::count_ 0;這里Add和Snapshot都走mu_保證讀的時(shí)候看到的是完整快照。優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單正確容易給不熟悉內(nèi)存模型的同事看懂缺點(diǎn)是每次調(diào)用都要經(jīng)過(guò)鎖如果這是熱點(diǎn)路徑可能成為性能瓶頸。補(bǔ)充一個(gè)工程經(jīng)驗(yàn)鎖的粒度要盡量小。把鎖放在單個(gè)函數(shù)內(nèi)部只保護(hù)真正共享的字段操作不要在外部“幫別人加鎖”。例如有些人喜歡讓調(diào)用方自己 lock這個(gè)約定很容易被后來(lái)的人漏掉代碼腐化速度極快。不如把共享字段設(shè)為私有只暴露已經(jīng)加好鎖的靜態(tài)方法。4.2 原子變量讓簡(jiǎn)單的計(jì)數(shù)和標(biāo)志位不再需要鎖如果共享靜態(tài)成員只是一個(gè)計(jì)數(shù)器、一個(gè)標(biāo)志位或一個(gè)可以單獨(dú)讀寫(xiě)的數(shù)值優(yōu)先用std::atomic。它用底層的原子指令把讀改寫(xiě)打包成一個(gè)不可分割的操作從語(yǔ)言層面規(guī)定了對(duì)該變量的并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)是良定義的不需要再額外加鎖。例如剛才的累計(jì)計(jì)數(shù)可以寫(xiě)成這樣class Metrics { public: static void Add(long v) { total_.fetch_add(v, std::memory_order_relaxed); } static long Get() { return total_.load(std::memory_order_relaxed); } private: static std::atomiclong total_; }; std::atomiclong Metrics::total_{0};fetch_add是原子操作不會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)線(xiàn)程同時(shí)讀到舊值的情況最終結(jié)果必然等于所有線(xiàn)程成功執(zhí)行的累加之合。代碼里用了 relaxed 內(nèi)存序很多教材會(huì)告訴你這是性能最高的寫(xiě)法但請(qǐng)一定確認(rèn)你真的不需要跨線(xiàn)程順序約束。如果你只關(guān)心“總數(shù)是多少”不在乎它和其他事件的先后關(guān)系relaxed 沒(méi)問(wèn)題如果某個(gè)線(xiàn)程要先更新完一批數(shù)據(jù)再讓另一個(gè)線(xiàn)程通過(guò)這個(gè)原子變量看到“數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好了”那么需要 release/acquire 或更強(qiáng)的 seq_cst。新手階段統(tǒng)一用默認(rèn)的 seq_cst正確性?xún)?yōu)先性能瓶頸出現(xiàn)后再回頭摳這些細(xì)節(jié)。還有一個(gè)坑std::atomic并不等于“把一個(gè)結(jié)構(gòu)體塞進(jìn)去就完事”。只有那些在目標(biāo)平臺(tái)上有原子指令支持的寬度才免鎖超過(guò)機(jī)器字長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)體std::atomic內(nèi)部會(huì)退化到鎖而且不同平臺(tái)的鎖實(shí)現(xiàn)不可見(jiàn)。這種場(chǎng)景直接用專(zhuān)門(mén)的互斥鎖反而更清楚。4.3 線(xiàn)程局部存儲(chǔ)能不分就不分并不是所有共享數(shù)據(jù)都必須被所有線(xiàn)程共享。如果每個(gè)線(xiàn)程都只需要自己的那份副本事后各自統(tǒng)計(jì)或合并那最干凈的做法是用thread_local靜態(tài)成員。語(yǔ)法上就是static thread_local或者類(lèi)外定義class Worker { public: static void AppendLog(const std::string s) { log_buffer_ s; } private: static thread_local std::string log_buffer_; }; thread_local std::string Worker::log_buffer_;初看可能覺(jué)得奇怪它和static不矛盾嗎一點(diǎn)都不矛盾。thread_local決定的是線(xiàn)程維度每個(gè)線(xiàn)程都有一份獨(dú)立拷貝static決定的是生命周期這份拷貝不對(duì)應(yīng)任何對(duì)象實(shí)例只對(duì)應(yīng)線(xiàn)程和類(lèi)名。也就是說(shuō)不同線(xiàn)程修改的都是自己的log_buffer_彼此天然隔離不需要鎖?，F(xiàn)實(shí)項(xiàng)目里線(xiàn)程局部存儲(chǔ)非常適合日志緩沖、臨時(shí)緩存、線(xiàn)程池上的會(huì)話(huà)數(shù)據(jù)處理這類(lèi)場(chǎng)景。不過(guò)有兩個(gè)注意點(diǎn)。第一線(xiàn)程退出時(shí)thread_local 對(duì)象會(huì)析構(gòu)不要在析構(gòu)函數(shù)里依賴(lài)另一個(gè)線(xiàn)程的 thread_local 數(shù)據(jù)。第二線(xiàn)程池中的線(xiàn)程任務(wù)邊界不明顯線(xiàn)程局部緩存在任務(wù)結(jié)束后如果不清理容易把上一個(gè)任務(wù)的數(shù)據(jù)帶到下一個(gè)任務(wù)里必須在任務(wù)入口或出口顯式重置。4.4 選型的底層原則總結(jié)一下常見(jiàn)場(chǎng)景下我一般按這個(gè)表選型場(chǎng)景推薦方案原因復(fù)雜對(duì)象多個(gè)字段需要保持一致mutex / scoped_lock鎖定一段邏輯操作整體狀態(tài)計(jì)數(shù)器、標(biāo)志、單一數(shù)值std::atomic免鎖吞吐高語(yǔ)義清晰讀多寫(xiě)少的高頻查詢(xún)std::shared_mutex多讀者并發(fā)寫(xiě)者互斥每個(gè)線(xiàn)程獨(dú)立處理數(shù)據(jù)static thread_local物理上不再共享免同步初始化后不再修改constexpr / 只讀不可變靜態(tài)成員沒(méi)有寫(xiě)操作天然安全選型之外還有一條更底層的心法能減少共享就不要增加鎖。鎖不是免費(fèi)的就算無(wú)鎖的原子變量也會(huì)增加指令數(shù)和緩存一致性壓力。如果一段數(shù)據(jù)其實(shí)沒(méi)必要被所有線(xiàn)程共享優(yōu)先通過(guò)任務(wù)拆分、線(xiàn)程私有副本或不可變數(shù)據(jù)把它變成“不需要同步”的結(jié)構(gòu)這比任何同步原語(yǔ)都高效。我自己在評(píng)審代碼時(shí)看到有人往共享靜態(tài)成員上加鎖第一反應(yīng)不是夸他會(huì)加鎖而是先問(wèn)這一步真的需要共享嗎5. 單例模式的經(jīng)典重災(zāi)區(qū)雙重檢查鎖與安全的單例實(shí)現(xiàn)5.1 為什么靜態(tài)成員變量是單例的最常見(jiàn)載體靜態(tài)成員變量最常見(jiàn)的用途之一就是單例。單例的本質(zhì)是進(jìn)程內(nèi)只有一個(gè)實(shí)例這個(gè)事實(shí)和靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)天然契合用靜態(tài)成員指針或引用持有那個(gè)唯一的對(duì)象是幾乎所有實(shí)現(xiàn)的第一步。也正因?yàn)槿绱藛卫龑?shí)現(xiàn)里線(xiàn)程安全的坑特別密集。尤其是“雙重檢查鎖”它幾乎是 C 社區(qū)反復(fù)踩了十幾年的經(jīng)典雷區(qū)。我先解釋它為什么吸引人再解釋它為什么沒(méi)那么好用。5.2 看看這段“老江湖”代碼為什么錯(cuò)雙重檢查鎖的出發(fā)點(diǎn)是單例創(chuàng)建一次之后每次讀取都是熱點(diǎn)路徑如果每次都加鎖開(kāi)銷(xiāo)太大能不能先無(wú)鎖判斷指針是否為空為空才加鎖創(chuàng)建于是出現(xiàn)類(lèi)似下面的代碼static Singleton* inst nullptr; static std::mutex mu; Singleton* GetInstance() { if (inst nullptr) { // 第一次無(wú)鎖讀 std::lock_guardstd::mutex lock(mu); if (inst nullptr) { // 第二次判斷 inst new Singleton(); // 創(chuàng)建 } } return inst; }問(wèn)題在于inst的第一次無(wú)鎖讀和另一個(gè)線(xiàn)程里的new Singleton()之間沒(méi)有任何同步關(guān)系。new 表達(dá)式本來(lái)就是三步分配內(nèi)存、在內(nèi)存上構(gòu)造對(duì)象、把地址寫(xiě)入inst。編譯器或 CPU 可能把“寫(xiě)入 inst”提前到構(gòu)造完成之前也可能把它推遲線(xiàn)程 B 在第 1 行看到inst不為空時(shí)線(xiàn)程 A 可能還沒(méi)完成構(gòu)造。于是 B 返回了一個(gè)半成品指針調(diào)用成員函數(shù)時(shí)讀取的是未初始化的字段。在某些編譯器上它可能“看起來(lái)能用”但跨平臺(tái)、跨優(yōu)化等級(jí)之后就會(huì)在運(yùn)行期炸掉。而如果第 1 行看到的inst仍為空多個(gè)線(xiàn)程會(huì)依次進(jìn)入并重復(fù)創(chuàng)建對(duì)象單例退化成多例內(nèi)存泄漏都算輕的。很多人覺(jué)得加 volatile 就能解決。volatile 不能提供原子性和內(nèi)存順序前面說(shuō)過(guò)這里同樣不成立。甚至static volatile Singleton* inst;也不能保證構(gòu)造完成的 happens-before它只是讓編譯器不緩存這個(gè)指針變量而已。真正的解法要么讓標(biāo)準(zhǔn)機(jī)制直接保證初始化要么使用原子量配合 memory_order。5.3 三套可靠實(shí)現(xiàn)函數(shù)局部靜態(tài)、call_once、只讀單例最省事的寫(xiě)法C11 以后的函數(shù)局部靜態(tài)變量已經(jīng)幫你把初始化競(jìng)態(tài)解決了class Singleton { public: static Singleton Get() { static Singleton instance; return instance; } private: Singleton() default; Singleton(const Singleton) delete; Singleton operator(const Singleton) delete; };多線(xiàn)程第一次調(diào)用Get()時(shí)初始化由編譯器生成的 guard 保證只執(zhí)行一次后續(xù)訪(fǎng)問(wèn)無(wú)鎖。這個(gè)模式因?yàn)楹?jiǎn)潔到幾乎不可能寫(xiě)錯(cuò)強(qiáng)烈優(yōu)先推薦。唯一限制單例對(duì)象的構(gòu)造函數(shù)不能依賴(lài)另一處同樣需要復(fù)雜初始化的全局狀態(tài)否則你不過(guò)是從線(xiàn)程安全問(wèn)題換到了初始化順序問(wèn)題。如果需要給單例傳參數(shù)或者初始化邏輯比較復(fù)雜可以用std::call_onceclass Singleton { public: static Singleton Get(int input 0) { std::call_once(once_, [] { inst_ new Singleton(input); }); return *inst_; } private: explicit Singleton(int v) { /* ... */ } static std::once_flag once_; static Singleton* inst_; }; std::once_flag Singleton::once_; Singleton* Singleton::inst_ nullptr;call_once的承諾是即使多個(gè)線(xiàn)程同時(shí)調(diào)用初始化回調(diào)也只會(huì)執(zhí)行一次其他線(xiàn)程會(huì)阻塞等待這次回調(diào)完成。注意回調(diào)里不能提前返回once_flag 一旦執(zhí)行成功后續(xù)所有線(xiàn)程看到的都是已初始化的狀態(tài)。如果你非要在回調(diào)里拋異常異常會(huì)傳播給當(dāng)前線(xiàn)程once_flag 會(huì)重置下一次調(diào)用會(huì)重試這是標(biāo)準(zhǔn)行為寫(xiě)代碼時(shí)要考慮清楚。還有一類(lèi)更極端的場(chǎng)景單例對(duì)象沒(méi)有任何可變狀態(tài)或者所有字段都是編譯期常量。這種時(shí)候直接用constexpr靜態(tài)成員或函數(shù)內(nèi)static constexpr對(duì)象就行沒(méi)有運(yùn)行時(shí)初始化也就不存在初始化競(jìng)態(tài)。很多人一聽(tīng)到單例就條件反射寫(xiě)鎖實(shí)際上一個(gè)全 constexpr 的消息格式描述符完全不需要任何同步設(shè)施。5.4 關(guān)于析構(gòu)順序的提醒函數(shù)局部靜態(tài)對(duì)象在程序退出時(shí)會(huì)自動(dòng)析構(gòu)析構(gòu)順序與構(gòu)造順序相反。如果單例在析構(gòu)時(shí)還依賴(lài)另一個(gè)局部靜態(tài)對(duì)象而對(duì)方已經(jīng)析構(gòu)就可能踩到空指針或未初始化數(shù)據(jù)。我的建議是單例析構(gòu)函數(shù)保持簡(jiǎn)單不要訪(fǎng)問(wèn)其他可能先析構(gòu)的全局狀態(tài)如果主線(xiàn)程之外還有工作線(xiàn)程在運(yùn)行必須在 main 里先 join 所有線(xiàn)程再退出而不是讓進(jìn)程在還有線(xiàn)程運(yùn)行時(shí)走到靜態(tài)析構(gòu)階段。還有一類(lèi)懲罰是我見(jiàn)過(guò)不少團(tuán)隊(duì)踩過(guò)的為了嚴(yán)格“禁止拷貝”把單例基類(lèi)寫(xiě)成宏或者一大堆代碼反倒是構(gòu)造函數(shù)忘記私有化了。其實(shí) C11 之后delete 拷貝構(gòu)造和賦值就夠了Singleton(const Singleton) delete; Singleton operator(const Singleton) delete;別為這種小事發(fā)明新框架。6. 跑一遍才踏實(shí)ThreadSanitizer 實(shí)測(cè)與排查心得6.1 一個(gè)能穩(wěn)定暴露競(jìng)態(tài)的測(cè)試用例理論講再多不如讓工具在眼前把競(jìng)態(tài)抓出來(lái)。我常用的做法是先寫(xiě)一個(gè)很小的復(fù)現(xiàn)程序規(guī)模不大但循環(huán)次數(shù)足夠多保證競(jìng)爭(zhēng)窗口能被撞上。比如前面那個(gè)計(jì)數(shù)器例子的完整版#include thread #include iostream struct Stats { static long counter; }; long Stats::counter 0; int main() { std::thread threads[8]; for (int i 0; i 8; i) { threads[i] std::thread([] { for (int j 0; j 1000000; j) { Stats::counter; } }); } for (auto t : threads) t.join(); std::cout Stats::counter \n; return 0; }按正常邏輯輸出應(yīng)該是 8000000直接編譯運(yùn)行你大概率會(huì)得到一個(gè)更小的數(shù)甚至偶爾看起來(lái)像 8000000因?yàn)楦?jìng)爭(zhēng)窗口不是每次循環(huán)都能命中。所以靠數(shù)值猜“是不是競(jìng)態(tài)”很不靠譜數(shù)值對(duì)也不能證明線(xiàn)程安全。想要穩(wěn)定暴露問(wèn)題得用專(zhuān)門(mén)工具。6.2 編譯并運(yùn)行 TSan看它怎樣報(bào)告ThreadSanitizer簡(jiǎn)稱(chēng) TSan是 GCC 和 Clang 都內(nèi)置的競(jìng)態(tài)檢測(cè)工具思路是在編譯時(shí)做插樁運(yùn)行時(shí)記錄每次內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)再判斷是否存在兩個(gè)線(xiàn)程對(duì)同一地址的無(wú)同步訪(fǎng)問(wèn)。編譯命令很簡(jiǎn)單g -stdc17 -fsanitizethread -g -O1 -pthread race.cpp -o race_tsan注意這里務(wù)必加上-g否則報(bào)告里的棧信息沒(méi)有行號(hào)-O1是 TSan 官方推薦的優(yōu)化等級(jí)既能暴露多數(shù)問(wèn)題又不會(huì)像-O0那樣把代碼拍得太平。跑起來(lái)之后如果存在數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)程序會(huì)在控制臺(tái)打出類(lèi)似這樣的信息WARNING: ThreadSanitizer: data race Read of size 8 at 0x... by thread T2 #0 main::$_0::operator() ... Previous write of size 8 at 0x... by thread T1 #1 main::$_0::operator() ... Location is global Stats::counter它會(huì)準(zhǔn)確標(biāo)出參與競(jìng)態(tài)的兩個(gè)訪(fǎng)問(wèn)、各自的線(xiàn)程棧以及出問(wèn)題的變量名Stats::counter。看到這份報(bào)告已經(jīng)不需要我們?cè)偃シ瓍R編猜“會(huì)不會(huì)真是這里”。修復(fù)之后再編譯運(yùn)行直到 TSan 零告警我才敢說(shuō)這個(gè)復(fù)現(xiàn)用例的事情結(jié)束了。TSan 在使用上有兩個(gè)小坑值得提前說(shuō)。一是它和 ASanAddressSanitizer不能混用加了-fsanitizeaddress再同時(shí)開(kāi)sanitizethread行為不可預(yù)期可能直接鏈接失敗。二是 TSan 對(duì)運(yùn)行時(shí)環(huán)境有額外要求在部分老內(nèi)核或容器里需要額外配置如果直接跑報(bào)“FATAL: ThreadSanitizer: unexpected memory mapping”通常和環(huán)境不支持有關(guān)換個(gè)常規(guī)環(huán)境或者更新工具鏈一般就能解決。這屬于檢測(cè)工具本身的環(huán)境問(wèn)題不要因?yàn)樗鼒?bào)錯(cuò)就懷疑自己的代碼。6.3 真實(shí)項(xiàng)目里的排查思路和預(yù)防措施真實(shí)項(xiàng)目里的靜態(tài)成員變量不會(huì)像復(fù)現(xiàn)程序這么干凈。我的排查習(xí)慣是先把所有帶 static 且可寫(xiě)的成員列出來(lái)按“是否在多于一個(gè)線(xiàn)程里出現(xiàn)”分類(lèi)只讀的定義為安全寫(xiě)者只有啟動(dòng)階段的可以重點(diǎn)檢查初始化順序運(yùn)行期有多個(gè)寫(xiě)者的直接進(jìn)觀(guān)察名單。第二步找出所有訪(fǎng)問(wèn)入口看看讀和寫(xiě)是否有共同的同步對(duì)象。讀加鎖、寫(xiě)加鎖但用的是兩把不同的鎖等于沒(méi)鎖。第三步上 TSan 跑一輪覆蓋主要業(yè)務(wù)路徑的壓測(cè)通常十分鐘就能抓到第一塊視野盲區(qū)。修復(fù)時(shí)也要小心修復(fù)動(dòng)作本身引入新問(wèn)題。很多人第一反應(yīng)是在每個(gè)方法入口加鎖但忘了靜態(tài)成員變量可能被外部通過(guò)返回值獲得引用然后繞過(guò)方法直接改。正確做法是讓靜態(tài)成員盡可能私有對(duì)外只暴露加好鎖的靜態(tài)方法如果實(shí)在需要返回引用必須返回一個(gè)同樣受鎖保護(hù)的代理或者直接返回副本。我現(xiàn)在設(shè)計(jì)任何類(lèi)時(shí)遇到靜態(tài)成員變量的第一個(gè)問(wèn)題都是這個(gè)變量是只讀的嗎如果不是只讀下一個(gè)問(wèn)題就是什么時(shí)候?qū)懩男┚€(xiàn)程讀用什么同步如果回答不上來(lái)我就不讓它作為裸的靜態(tài)成員存在。寧可多寫(xiě)一層函數(shù)局部靜態(tài)的間接層把初始化和訪(fǎng)問(wèn)都收口到一個(gè)地方。見(jiàn)過(guò)太多因?yàn)殪o態(tài)成員線(xiàn)程安全翻車(chē)的案例之后我的體會(huì)是數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)很少是“運(yùn)氣不好”它是共享、可變、缺少同步三個(gè)條件同時(shí)成立的必然結(jié)果。把這三者拆掉任何一個(gè)問(wèn)題就能從根上消失。診斷時(shí)可以靠工具防御時(shí)還是得靠設(shè)計(jì)習(xí)慣。希望你下次看到static關(guān)鍵字時(shí)能多停留兩秒。