一个多线程Reactor模型的Bug：线程安全一定要把构造方法考虑在内

Posted 2020-12-08 牛有肉

 

　　众所周知，JVM 创建一个对象分三步：

　　1.在堆内存开辟内存空间。

　　2.在堆内存中实例化Car里面的各个参数。

　　3.把对象指向堆内存空间。

　　为了提高运行效率，编译器在编译代码时可能会对指令进行重排序。重排序的原则是，保证单线程执行结果的正确性，并遵循 happen-before 原则。

　　指令间的依赖关系包括数据依赖和控制依赖。对于控制依赖，处理器 本身存在流水线冒险等行为，处理器层面会对存在控制依赖的指令进行结果检查，该类指令优化不在编译器层面。而对于存在数据依赖的指令，如果打乱顺序，显然会造成单线程情况下执行结果的变化。所以编译器不会打乱存在数据依赖的指令的顺序。

　　上述三步中的 2、3 两步并不存在数据依赖关系，单线程情况下将其顺序颠倒并不会导致执行结果的变化，并且这两步不在 happen-before 原则范围内，因此在编译过程中可能会被打乱顺序。

　　但在多线程环境下，这两步是可能存在数据依赖关系的。

　　比如一个比较复杂的例子，NIO 编程时，我们为 channel 注册了一个感兴趣的事件，并绑定一个 handler 实例：

 　　如果事件触发，将会在一个新线程执行 handler 中的 run 方法，handler 的构造方法如下：

 　　构造方法会初始化成员变量。run 方法中会使用这些变量：

 　　如果在第一张图中，new Handler 时，2、3 步 被乱序执行，那么第三张图 read 函数调用会报空指针异常。因为指向 handler 对象存储空间的指针首先被返回赋值给了 channel 的 attachment ，但 handler 对象的成员还没有被初始化，所以 成员变量 socketChannel 还是空的。

　　事实也证实了这一点：

　　我们要保证的是，执行 handler 的 run 之前，handler 的构造方法得到完全执行，并且多核环境下执行结果对其它线程（核心）可见。

　　因此多线程环境下，想要程序按预想的情况执行，我们需要保证两点：

　　1. 构造函数的执行早于 run 函数的执行。

　　2. 构造函数必须完全执行，且结果对所有线程可见，才可以执行 run 方法。

　　对于 1， 我们在执行 run 之前可以对 attachment 进行判空，空的话什么都不做，等待事件下次触发再判断构造函数是否已经执行（感谢 NIO 的水平触发）。

　　对于 2，我们在 1 的基础上，通过锁使得 构造函数 与 run 方法互斥即可实现。通过 synchronized 的锁和其 monitorEnter 后、monitorExit 前的内存屏障可以充分保证可见性和有序性。一旦构造函数先执行，run 一定等待其执行完成才会执行；若构造函数未执行，run 立即返回等待下次被触发。

　　构造函数加锁：

　　run 函数加锁：

  　　在写多线程代码时，如果存在类成员变量等线程共享变量，一定要注意其线程安全性。在写上述代码时（一个 Reactor 模型），因为一个 handler 对象只会被一个线程调用，因此忽略了对线程安全的考虑。但最后出错才发现，还有另一个线程在调用构造方法！这样便是两个线程操作 handler 对象，一个调用构造函数、一个调用其它函数。

　　考虑线程安全问题，构造方法一定要考虑在内！

　　作如上修改后，问题解决，大剂量测试没有异常发生：