Cpp五条

这个屌丝很懒，什么也没留下！

热门标签

C++ Static变量跨平台，美团二面惜败

作者：Cpp五条 | 2024-03-29 17:50:24

踩

编写测试程序的最终版本如下，此版本是经过了反复调整，力求增大复现问题的概率。

#include

#include<unistd.h>

#define TAG “MY_TEST”

#define MY_DEBUG printf // add your platform timestamp threadid

class Machine

{

public:

Machine(int year_) : year(year_) {

MY_DEBUG(“before construct Machine:%p, thread:%d, year:%d”, this, year_, year);

MY_DEBUG(“after construct Machine:%p, thread:%d, year:%d”, this, year_, year);

}

~Machine() {

MY_DEBUG(“before destruct, year:%d”, year);

year = -1;

MY_DEBUG(“after destruct, set -1”); // -1 as invalid static data.

}

int GetData() const {

return year;

}

int year;

};

static const Machine golbalMachine(100); // 100 as global static valid data

const Machine &GetMachine(int index)

{

const static Machine machine(index);

MY_DEBUG(“return object for thread: %d. machine:%p, year:%d, globalMachine:%p, globalYear:%d”, index, &machine, machine.GetData(), &golbalMachine, golbalMachine.GetData());

return machine;

}

void CheckStaticVariable() {

std::thread t1(GetMachine, 1);

std::thread t2(GetMachine, 2);

std::thread t3(GetMachine, 3);

MY_DEBUG(“t1 detach”);

t1.detach();

MY_DEBUG(“t2 detach”);

t2.detach();

MY_DEBUG(“t3 detach”);

t3.detach();

// MY_DEBUG(“t1 join”);

// t1.join();

// MY_DEBUG(“t2 join”);

// t2.join();

// MY_DEBUG(“t3 join”);

// t3.join();

}

int main() {

MY_DEBUG(“start main\n”);

CheckStaticVariable();

exit(0); // in order to auto complete ios app main thread.

return 0;

}

linux 平台实测

在Ubuntu机器上用GCC和CLANG两种编译器运行测试。

Description: Ubuntu 20.04.2 LTS

Release: 20.04

g++ (Ubuntu 9.3.0-17ubuntu1~20.04) 9.3.0

clang version 10.0.1

Target: x86_64-unknown-linux-gnu

Thread model: posix

▐ 实测

使用GCC编译器，编译运行上述程序, 在shell中持续循环运行多次，静态变量析构都发生在线程执行完成之后。得到如下结果。GetMachine函数得到的全局、局部静态变量数值都是大于0的有效值，并非-1.

使用fno-threadsafe-statics制造不安全场景, 大规模循环执行后，复现了子线程读取到错误数据的case，此局部静态变量已经析构。由于实验的是简单数据类型, 并没有crash。如果是访问析构后的复杂对象，则可能crash。而且从多线程发生重复竞争构造同一个静态对象，重复析构同一个静态对象。

同时发现，在大量循环后，全局静态变量始终在子线程访问结束后才析构，与gcc 编译器的说明是对应的，也就是说这个特性一直打开，不受fno-threadsafe-statics影响，此选项只影响局部静态变量。

CLANG

使用 clang编译器，编译运行上述程序, 在shell中持续循环运行多次，静态变量析构都发生在线程执行完成之后。多线程安全。

使用fno-threadsafe-statics制造不安全场景, 大规模循环执行后，可复现了子线程读取到错误数据的case，此局部静态变量已经析构。

▐ 汇编分析

为了进一步查看区别和原因，使用GCC编译器编出汇编代码继续分析，使用fno-threadsafe-statics选项得到不安全的汇编代码，对应下图左侧，右侧为静态变量多线程安全代码。将符号demangle后分析差异。

g++ -std=c++11 -pthread -S static_thread.cpp -o static_thread_gcc_x64.S

g++ -std=c++11 -pthread -fno-threadsafe-statics -S static_thread.cpp -o static_thread_gcc_x64_unsafe.S

threadstatic# c++filt _ZGVZ10GetMachineiE7machine

guard variable for GetMachine(int)::machine

threadstatic# c++filt _ZZ10GetMachineiE7machine

GetMachine(int)::machine

threadstatic# c++filt _ZN7MachineC1Ei

Machine::Machine(int)

/threadstatic# c++filt _ZN7MachineD1Ev

Machine::~Machine()

_ZZ10GetMachineiE7machine为 GetMachine(int)::machine 函数调用， _ZN7MachineC1Ei 为Machine类的构造函数。线程安全版本在调用GetMachine时先通过__cxa_guard_acquire获取了guard锁，call _ZN7MachineC1Ei 调用Machine类构造局部静态对象之后，再用__ __cxa_guard_abort 和 __cxa_guard_release 释放锁。最后把析构函数_ZN7MachineD1Ev用__cxa_atexit 注册到程序退出函数表中。

从gcc说明文档也可以看到这个信息：

// The actual code emitted by GCC to call a local static variable’s constructor looks something like this:

static guard;

if (!guard.first_byte)

{

if (__cxa_guard_acquire (&guard))

{

bool flag = false;

try

{

// Do initialization.

__cxa_guard_release (&guard);

flag = true;

// Register variable for destruction at end of program.

}

catch

{

if (!flag)

{

__cxa_guard_abort (&guard);

}

在实测部分，大量循环后，全局静态变量始终在子线程访问结束后才析构，说这个特性一直打开，不受fno-threadsafe-statics影响，所以汇编代码无法对比出差异，受时间限制暂未去找实现的原理。

Apple 平台实测

▐ Apple IOS

Clang 12.0.5

保持xcode工程的 Statics are Thread-Safe 选项打开。设定optimization level为-O0，无优化。

手动在iphone XS上运行测试代码，出现下图问题，子线程访问到-1数据时，主线程在调用_exit函数退出，触发_cxa_atexit中注册过的静态变量析构函数。由于实验的是简单数据类型, 并没有crash。如果是访问析构后的复杂对象，则可能crash，正好对应线上crash的场景。

// 线上crash堆栈

Thread 0:

1 libsystem_c.dylib 0x0000000197db7064 __cxa_finalize_ranges :416 (in libsystem_c.dylib)

2 libsystem_c.dylib 0x0000000197db73a0 _exit :28 (in libsystem_c.dylib)

3 UIKitCore 0x000000019c2301a4 -[UIApplication _terminateWithStatus:] :508 (in UIKitCore)

复制

而linux平台只有关闭线程安全选项fno-threadsafe-statics后才会出现。正常编译下静态变量构造和析构都是安全的。说明此clang+ios并未实现完整的Dynamic Initialization and Destruction with Concurrency.

IOS MNN crash的根源在于Apple clang编译器和运行时库未实现静态变量析构的多线程安全。

▐ Apple Mac

Apple clang version 12.0.5 (clang-1205.0.22.11)

Target: x86_64-apple-darwin20.3.0

Thread model: posix

在mac下使用Apple clang编译，静态变量线程安全选项默认打开情况下，仍然可以复现此问题, 和ios的情况一致。

clang++ -std=c++11 -pthread static_thread.cpp -o static_thread_clang_mac

android平台实测

▐ NDK Clang

Android (7019983 based on r365631c3) clang version 9.0.9 (https://android.googlesource.com/toolchain/llvm-project a2a1e703c0edb03ba29944e529ccbf457742737b) (based on LLVM 9.0.9svn)

Target: x86_64-apple-darwin20.3.0

Thread model: posix

android NDK r21e的clang版本为9.09，大于了c++11此特性标注的clang 2.9，编译测试代码，执行可以看到构造过程仍然保证只构造一次, thread1 线程号15623， GetMachine取到的局部和全局静态变量都是-1，因为局部和全局静态变量析构函数已经早于此线程调用GetMachine执行了。此版本析构过程线程不安全。说明此clang+ndk库并未实现完整的 Dynamic Initialization and Destruction with Concurrency.

我手头的ndk版本不高，哪位同学如果有更高版本，方便的话可编译运行一下此测试程序。