C/C++编程教训----函数内静态类对象初始化非线程安全（C++11之前）

不少程序员在编写程序的时候，会使用函数内静态(

static

)变量，既能满足函数内这个变量可以持久的记录某些信息，又使其访问范围的控制局限于函数内。但函数内静态类对象初始化是非线程安全的。

问题背景

在我们产品中对log4cxx做了一些简单的封装 （采用VS2005编译），其中会调用到

getWarn

这个接口。由于这个函数存在非线程安全的问题，导致程序Crash。为了更好的描述问题，博主后面采用一个简单的例子去做分析：为什么这个是非线程安全的。

LevelPtr Level::getWarn() {
static LevelPtr level(new Level(Level::WARN_INT, LOG4CXX_STR("WARN"), 4));
return level;
}

例子

这里们写了一段样例代码，采用

VS2005

，为了避免程序被优化，博主采用的是

Debug

模式编译。

class TestObject
{
public:
int m_iVal;
TestObject()
{
m_iVal = 4;
}
};

TestObject TestFunction()
{
static TestObject obj;
return obj;
}

以上代码简单来说，就是返回一个

TestObject

的类对象。

TestFunction

中永远返回一个静态对象

obj

。 那么现在重点来了，你必须知道两点：

1. obj是在函数

TestFunction

第一次被调用的时候才会调用构造函数

2.

obj

在应用程序启动的时候，

obj

对象内存中的值都为

0

。并且这里的

obj

在初始化的时候（这里可以认为调用构造函数）是非线程安全的。

分析非线程安全

要分析这个问题，我们得通过VS的反汇编来查看，我在以下的代码中加了注释来直接解释这个问题。

TestObject TestFunction()
{
0000000140001800  mov         qword ptr [rsp+8],rcx
0000000140001805  push        rdi
0000000140001806  sub         rsp,30h
000000014000180A  mov         rdi,rsp
000000014000180D  mov         rcx,0Ch
0000000140001817  mov         eax,0CCCCCCCCh
000000014000181C  rep stos    dword ptr [rdi]
000000014000181E  mov         rcx,qword ptr [rsp+40h]
0000000140001823  mov         qword ptr [rsp+20h],0FFFFFFFFFFFFFFFEh
static TestObject obj;
//===========================
这个地方从内存中读取一个值，可以理解为编译器给程序自动加了一个变量bInit(判断obj对象是否初始化了，bInit初始值为0)，将bInit读取到eax，然后判断为1表示已经初始化，则直接返回对象；如果为0，则按顺序继续执行。
//===========================
000000014000182C  mov         eax,dword ptr [$S1 (14000F2A4h)]
0000000140001832  and         eax,1
0000000140001835  test        eax,eax
0000000140001837  jne         TestFunction+55h (140001855h)
//===========================
将bInit值设置为1， 并且调用obj构造函数, 完成对象初始化
//===========================
0000000140001839  mov         eax,dword ptr [$S1 (14000F2A4h)]
000000014000183F  or          eax,1
0000000140001842  mov         dword ptr [$S1 (14000F2A4h)],eax
0000000140001848  lea         rcx,[obj (14000F2A0h)]
000000014000184F  call        TestObject::TestObject (1400011EFh)
0000000140001854  nop
return obj;
0000000140001855  mov         rax,qword ptr [rsp+40h]
000000014000185A  mov         ecx,dword ptr [obj (14000F2A0h)]
0000000140001860  mov         dword ptr [rax],ecx
0000000140001862  mov         rax,qword ptr [rsp+40h]
}

看了以上汇编和解释之后，大家应该能明白这里存在一个Race Condition。当多个线程，同时调用

TestFunction

这个函数，当线程A执行完

0000000140001842  mov         dword ptr [$S1 (14000F2A4h)],eax

, 线程B刚好进入

TestFunction

执行，以为obj已经初始化了，则直接返回对象，其实这个时候对象内部的

m_iVal

为0， 并非程序员的本意。

C++ 11线程安全

博主采用了VS2015 （支持C++ 11）编译了以上的代码，得到如下汇编, 其通过

_Init_thread_header

和

_Init_thread_footer

来保证局部的静态对象的初始化线程安全。具体实现google并没有找到，有兴趣的同学可以汇编跟进去再研究研究。

TestObject TestFunction()
{
00007FF65F411830  mov         qword ptr [rsp+8],rcx
00007FF65F411835  push        rbp
00007FF65F411836  push        rdi
00007FF65F411837  sub         rsp,108h
00007FF65F41183E  lea         rbp,[rsp+20h]
00007FF65F411843  mov         rdi,rsp
00007FF65F411846  mov         ecx,42h
00007FF65F41184B  mov         eax,0CCCCCCCCh
00007FF65F411850  rep stos    dword ptr [rdi]
00007FF65F411852  mov         rcx,qword ptr [rsp+128h]
00007FF65F41185A  mov         qword ptr [rbp+0C8h],0FFFFFFFFFFFFFFFEh
static TestObject obj;
00007FF65F411865  mov         eax,104h
00007FF65F41186A  mov         eax,eax
00007FF65F41186C  mov         ecx,dword ptr [_tls_index (07FF65F41C1E0h)]
00007FF65F411872  mov         rdx,qword ptr gs:[58h]
00007FF65F41187B  mov         rcx,qword ptr [rdx+rcx*8]
00007FF65F41187F  mov         eax,dword ptr [rax+rcx]
00007FF65F411882  cmp         dword ptr [obj+4h (07FF65F41C180h)],eax
00007FF65F411888  jle         TestFunction+88h (07FF65F4118B8h)
00007FF65F41188A  lea         rcx,[obj+4h (07FF65F41C180h)]
00007FF65F411891  call        _Init_thread_header (07FF65F41101Eh)
00007FF65F411896  cmp         dword ptr [obj+4h (07FF65F41C180h)],0FFFFFFFFh
00007FF65F41189D  jne         TestFunction+88h (07FF65F4118B8h)
00007FF65F41189F  lea         rcx,[obj (07FF65F41C17Ch)]
00007FF65F4118A6  call        TestObject::TestObject (07FF65F411028h)
00007FF65F4118AB  nop
00007FF65F4118AC  lea         rcx,[obj+4h (07FF65F41C180h)]
00007FF65F4118B3  call        _Init_thread_footer (07FF65F411078h)
return obj;
00007FF65F4118B8  mov         rax,qword ptr [rbp+100h]
00007FF65F4118BF  mov         ecx,dword ptr [obj (07FF65F41C17Ch)]
00007FF65F4118C5  mov         dword ptr [rax],ecx
00007FF65F4118C7  mov         rax,qword ptr [rbp+100h]
}
00007FF65F4118CE  lea         rsp,[rbp+0E8h]
00007FF65F4118D5  pop         rdi
00007FF65F4118D6  pop         rbp
00007FF65F4118D7  ret

这个功能在VS2015中默认开启，如果想要禁用这个功能, 可以添加额外的编译选项

/Zc:threadSafeInit-

。 详细的可以参考/Zc:threadSafeInit (Thread-safe Local Static Initialization)。

总结

在C++ 11之前，尽量避免使用函数内静态对象。

尽量在条件允许的情况下，将编译器升级到支持C++ 11的VS2015或者以上吧。