面試官不講武德,偷襲我一個大學生：當"我知道答案"遇上"請解釋原理"

一口Linux

最近有讀者和我描述他最近的一次面試，他說面試官不講武德，我問發(fā)生了啥，原來是這么回事：
讀者(我們簡稱為A)去面試，開始問了一些C++多態(tài)方面的，回答一切順利，后面就情況不對了。

開始


面試官：static局部變量是線程安全的嗎？

A(竊喜 這題簡單啊)：C++11之前不安全，C++11之后是安全的

面試官：好，那你知道原理嗎？C++11后是如何實現(xiàn)保證線程安全的嗎？

A：此處愣神30秒，（內(nèi)心：我看的八股文也沒講原理�。�

面試官：可以從GCC、CLang、MSVC 或者其他常用編譯器說一個熟悉的就行

A：我尼瑪，再次愣神30秒，回答：應該是加了鎖吧

面試官：好，那具體是怎么加的？只有一個鎖就能實現(xiàn)效果嗎？

A：（內(nèi)心：這面試官不講武德啊，我不知道啊）回答：我不是很懂原理，我就是知道它線程安全，沒有研究過原理。

面試官：嗯哼

A：內(nèi)心：嗯哼你妹啊

面試官：
C++無鎖隊列的底層原理是什么？
紅黑樹原理是什么？
多路復用select原理是什么？
......

A內(nèi)心直呼：這面試官不講武德啊，為難我一個沒工作的大學生
面試結束

嗯，好吧，面試官確實有點不講武德，不過現(xiàn)在大環(huán)境這么卷，沒得辦法。
我們就來拆解下：C++11如何保證static局部變量初始化的線程安全？
首先強調(diào)一點，C++11保證的只是初始化的安全。
首先，我要推薦一個網(wǎng)站，可以實時的把代碼轉(zhuǎn)換為編譯器里面的代碼

https://compiler-explorer.com/我們看個例子,左邊代碼，右邊直接顯示匯編代碼，非常方便。如果匯編代碼看不懂，現(xiàn)在可以丟給AI。


我們把匯編代碼丟給Cursor看看，Cursor回答：
這是一段 x86_64 匯編代碼，讓我用中文為您詳細解釋每一行的含義：

func(int):                      # 函數(shù)聲明，接受一個整數(shù)參數(shù)        push    rbp             # 保存舊的基址指針        mov     rbp, rsp        # 設置新的基址指針，建立新的棧幀        mov     DWORD PTR [rbp-4], edi   # 將參數(shù)（存儲在edi寄存器中）存入局部變量        add     DWORD PTR [rbp-4], 20    # 將局部變量的值加20        mov     eax, DWORD PTR [rbp-4]   # 將結果移動到eax寄存器（作為返回值）        pop     rbp             # 恢復舊的基址指針        ret                     # 返回函數(shù)這個函數(shù)的功能很簡單：
接收一個整數(shù)參數(shù)
將這個參數(shù)加上20
返回計算結果
用C語言表示相當于：

int func(int x) {    return x + 20;}
不得不說AI工具確實強大，直接反推出來了函數(shù)。好了，我們言歸正傳，看一下靜態(tài)局部變量：
寫如下代碼：


右邊匯編代碼如下：

看這個匯編代碼，看不出來哪里對初始化線程安全有做處理，上面是GCC，我們換成CLang再試一次

換成CLang，發(fā)現(xiàn)多了一個global_var_init,但是這個和static沒關系，這個是會導致生成的。
可以發(fā)現(xiàn)，對于int類型，不好觀察。因為int類型太簡單了，編譯器可能執(zhí)行了優(yōu)化處理。下一步我們把int類型換成string類型再看看。

匯編代碼,有點長不好截圖

.LC0:        .string "Hello"func[abi:cxx11]():        push    rbp        mov     rbp, rsp        push    r12        push    rbx        sub     rsp, 32        mov     QWORD PTR [rbp-40], rdi        movzx   eax, BYTE PTR guard variable for func[abi:cxx11]()::key[rip]        test    al, al        sete    al        test    al, al        je      .L6        mov     edi, OFFSET FLAT:guard variable for func[abi:cxx11]()::key        call    __cxa_guard_acquire        test    eax, eax        setne   al        test    al, al        je      .L6        mov     r12d, 0        lea     rax, [rbp-25]        mov     QWORD PTR [rbp-24], rax        nop        nop        lea     rax, [rbp-25]        mov     rdx, rax        mov     esi, OFFSET FLAT:.LC0        mov     edi, OFFSET FLAT:func[abi:cxx11]()::key        call    std::__cxx11::basic_stringchar, std::char_traitschar>, std::allocatorchar> >::basic_stringstd::allocatorchar> >(char const*, std::allocatorchar> const&)        mov     edx, OFFSET FLAT:__dso_handle        mov     esi, OFFSET FLAT:func[abi:cxx11]()::key        mov     edi, OFFSET FLAT:std::__cxx11::basic_stringchar, std::char_traitschar>, std::allocatorchar> >::~basic_string() [complete object destructor]        call    __cxa_atexit        mov     edi, OFFSET FLAT:guard variable for func[abi:cxx11]()::key        call    __cxa_guard_release        lea     rax, [rbp-25]        mov     rdi, rax        call    std::__new_allocatorchar>::~__new_allocator() [base object destructor]        nop.L6:        mov     rax, QWORD PTR [rbp-40]        mov     esi, OFFSET FLAT:func[abi:cxx11]()::key        mov     rdi, rax        call    std::__cxx11::basic_stringchar, std::char_traitschar>, std::allocatorchar> >::basic_string(std::__cxx11::basic_stringchar, std::char_traitschar>, std::allocatorchar> > const&) [complete object constructor]        jmp     .L11        mov     rbx, rax        lea     rax, [rbp-25]        mov     rdi, rax        call    std::__new_allocatorchar>::~__new_allocator() [base object destructor]        nop        test    r12b, r12b        jne     .L9        mov     edi, OFFSET FLAT:guard variable for func[abi:cxx11]()::key        call    __cxa_guard_abort.L9:        mov     rax, rbx        mov     rdi, rax        call    _Unwind_Resume.L11:        mov     rax, QWORD PTR [rbp-40]        add     rsp, 32        pop     rbx        pop     r12        pop     rbp        ret下面拆解下這份匯編代碼，看看能不能窺探到static局部變量的初始化是如何做到線程安全的？
這段匯編代碼展示了C++中靜態(tài)局部變量的線程安全初始化機制（也稱為"Double-Checked Locking Pattern"）
首先看第一次檢查：

movzx   eax, BYTE PTR guard variable for func[abi:cxx11]()::key[rip]        test    al, al        sete    al        test    al, al        je      .L6這是在檢查guard變量，guard variable是一個字節(jié)大小的變量，初始值為0，如果已經(jīng)初始化則跳轉(zhuǎn)到 .L6
第二次檢查：

mov     edi, OFFSET FLAT:guard variable for func[abi:cxx11]()::keycall    __cxa_guard_acquiretest    eax, eaxsetne   altest    al, alje      .L6第二次檢查是在獲取鎖,如果guard變量為0，調(diào)用__cxa_guard_acquire，__cxa_guard_acquire嘗試獲取鎖，如果獲取失敗則轉(zhuǎn)到.L6
__cxa_guard_acquire的實現(xiàn)通常包含：

使用原子操作檢查guard變量如果已初始化，返回0如果未初始化，獲取互斥鎖雙重檢查(double-check)guard變量返回1表示獲得了初始化權限只有一個線程能獲得初始化權限，這個線程會：

初始化靜態(tài)變量調(diào)用__cxa_guard_release設置guard變量釋放互斥鎖其他線程在__cxa_guard_acquire中等待，直到初始化完成

如果初始化過程發(fā)生異常，調(diào)用__cxa_guard_abort

mov     edi, OFFSET FLAT:guard variable for func[abi:cxx11]()::keycall    __cxa_guard_abort
這里實現(xiàn)線程安全的關鍵機制是：
雙重檢查
第一次檢查：快速路徑，檢查guard變量是否已初始化
第二次檢查：通過__cxa_guard_acquire進行加鎖檢查
Guard變量
編譯器為每個靜態(tài)局部變量生成一個guard變量
用于追蹤變量的初始化狀態(tài)
關鍵函數(shù)
__cxa_guard_acquire：獲取鎖，返回值表示是否需要初始化
__cxa_guard_release：釋放鎖，標記初始化完成
__cxa_guard_abort：初始化失敗時的清理
到這里，應該已經(jīng)明白了面試官要問的底層原理了。


上面我們看的是匯編代碼，下面我們再從源碼看一看，上面匯編看了GCC的，我們源碼就看CLang的。
關于static局部變量初始化線程安全最主要的實現(xiàn)在：

https://github.com/llvm/llvm-project/blob/main/libcxxabi/src/cxa_guard.cpphttps://github.com/llvm/llvm-project/blob/main/libcxxabi/src/cxa_guard_impl.h源碼中詳細解釋了guard變量的定義和布局

The first "guard byte" (which is checked by the compiler) is set only upon * the completion of cxa release. * * The second "init byte" does the rest of the bookkeeping. It tracks if * initialization is complete or pending, and if there are waiting threads. * * If the guard variable is 64-bits and the platforms supplies a 32-bit thread * identifier, it is used to detect recursive initialization. The thread ID of * the thread currently performing initialization is stored in the second word. * *  Guard Object layout: * --------------------------------------------------------------------------- * | a+0: guard byte | a+1: init byte | a+2: unused ... | a+4: thread-id ... | * ---------------------------------------------------------------------------
guard對象的內(nèi)存布局包含:
guard byte (位于偏移量0): 由編譯器檢查,只在cxa release完成時設置
init byte (位于偏移量1): 用于跟蹤初始化狀態(tài)(完成/pending)和等待線程
unused bytes (位于偏移量2-3): 未使用的字節(jié)
thread-id (位于偏移量4開始): 存儲當前執(zhí)行初始化的線程ID(在64位guard變量且平臺提供32位線程ID的情況下使用)
我們看一下幾個核心類：
GuardByte類

struct GuardByte {    GuardByte(uint8_t* const guard_byte_address) : guard_byte(guard_byte_address) {}        bool acquire() {        // 如果guard_byte非0，說明初始化已完成        return guard_byte.load(std::_AO_Acquire) != UNSET;    }        void release() {         guard_byte.store(COMPLETE_BIT, std::_AO_Release);     }        void abort() {} // 終止時不需要做任何事
private:    AtomicIntuint8_t> guard_byte;};表示guard的不同狀態(tài)定義：

static constexpr uint8_t UNSET = 0;static constexpr uint8_t COMPLETE_BIT = (1 0);static constexpr uint8_t PENDING_BIT = (1 1);static constexpr uint8_t WAITING_BIT = (1 2);工具類 LazyValue

templateclass T, T (*Init)()>struct LazyValue {    LazyValue() : is_init(false) {}    T& get() {        if (!is_init) {            value = Init();            is_init = true;        }        return value;    }private:    T value;    bool is_init = false;};LazyValue是一個實現(xiàn)延遲初始化(lazy initialization)的模板工具類。
主要工作流程：
1、初始化檢查：
當遇到靜態(tài)局部變量時，編譯器會生成檢查代碼
使用guard byte來追蹤變量是否已經(jīng)初始化
2、線程同步：
init byte用于處理多線程情況
可能的狀態(tài)：
UNSET：未初始化
COMPLETE：已完成初始化
PENDING：正在初始化
WAITING：有線程等待初始化完成
3、防止遞歸初始化：
使用thread ID來檢測是否存在遞歸初始化
64位guard變量可以存儲32位thread ID
4、原子操作：
使用AtomicInt類來確保線程安全
實現(xiàn)了load、store、exchange等原子操作
可以看到CLang源碼分析實現(xiàn)基本和GCC匯編代碼分析是一樣的，需要一個守護guard變量加上acquire鎖。


我簡單做一個總結，用一句話回答這個問題就是：
C++11會通過編譯器生成的guard變量和調(diào)用__cxa_guard_acquire/__cxa_guard_release實現(xiàn)雙重檢查鎖模式（DCLP），確保static局部變量只被初始化一次，其他線程在初始化未完成時會在__cxa_guard_acquire內(nèi)部等待。
更細節(jié)的部分，各位讀者可以去看源碼，這篇文章只是拋磚引玉，不過感嘆下現(xiàn)在校招太卷了，我知道答案，但是面試官反手問一個原理是啥？IT開發(fā)也不再是會用工具會調(diào)包就能獲得的崗位了。
end

一口Linux

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