深入理解线程安全与Singleton

线程安全是个非常棘手的问题。即使你合理的使用了锁（lock），依然可能不会产生预期的效果。
让我们来看看貌似合理的代码


代码如下:

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

你会认为执行完这两个线程之后，X的一定值等于2？没错，因为lock()和unlock()的保护，x++的执行并不会被打断。（为什么++操作会被多线程给扰乱呢？原因就在于++操作在被编译成汇编之后对应到了多条汇编代码。）但是，编译器却可能因为自作聪明的优化，把x放到register里面（因为寄存器速度快嘛），也就是说当Thread1执行完x++之后，被Thread2打断，但是1这个值只保存到了寄存器x里，没有写入内存中的x变量里。随后Thread2执行完成后，内存中x的值等于1，此时，Thread1再执行完，内存中的x又被写入为1.
原来都是编译器倒得鬼！

再看一个例子


代码如下:

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

当你拍胸脯向崇拜你的MM保证说：r1或者r2至少有一个为1的时候，可惜编译器又再一次的站到了你的对立面。

原因是早在十几年前还是几十年前，编译器就有了这么一种优化机制，为了提高效率而交换指令的序列。所以上面的代码到了可能变成了这样：


代码如下:

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

知道你错了吧～还好我们还有volatile：
1. 阻止编译器为了提高速度将变量缓存寄存到寄存器内而不写回内存。
2. 阻止编译器调整操作指令序列

哈哈，可惜道高一尺，魔高一丈。CPU动态调度的功能，CPU可以交换指令序列。volatile帮不了你，但宙斯大帝为我们发明了：barrier指令（这是一个CPU的指令）能够帮组我们阻止CPU调整操作指令序列。
好想目前我们解决了现场安全的问题了。

有一个著名的与换序有关的问题来至于Singleton模式的double-check。代码大概是这样子的：


代码如下:

volatile Singleton* Singleton::_instance = 0;

代码如下:

static Singleton& Instance() {
      if (0 == _instance) {
          Lock lock(_mutex);
          if (0 == _instance) {
              _instance = new Singleton();
              atexit(Destroy);
          }
      }
      return *_instance;
 }

简单的说，编译器为了效率可能会重排指令的执行顺序(compiler-based reorderings)。
看这一行代码：
_instance = new Singleton();

在编译器未优化的情况下顺序如下：
1.new operator分配适当的内存；
2.在分配的内存上构造Singleton对象；
3.内存地址赋值给_instance。

但是当编译器优化后执行顺序可能如下：
1.new operator分配适当的内存；
2.内存地址赋值给_instance；
3.在分配的内存上构造Singleton对象。

当编译器优化后，如果线程一执行到2后被挂起。线程二开始执行并发现0 == _instance为false，于是直接return，而这时Singleton对象可能还未构造完成，后果...

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