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-。 

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。