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clang的线程安全分析模块 thread safety analysis

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  • 2019-10-09
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简介线程安全分析 介绍Clang的线程安全分析模块是C++语言的一个扩展,能对代码中潜在的竞争条件进行警告。这种分析是完全静态的(即编译时进行),没有运行时的消耗。当前这个功能还在开发中,
线程安全分析 介绍Clang的线程安全分析模块是C++语言的一个扩展,能对代码中潜在的竞争条件进行警告。这种分析是完全静态的(即编译时进行),没有运行时的消耗。当前这个功能还在开发中,但它已经具备了足够的成熟度,可以被部署到生产环境中。它由Google开发,同时受到CERT(United States Computer Emergency Readiness Team,美国互联网应急中心)/SEI(Software Engineering Institute,软件工程中心)的协助,并在Google的内部代码中被广泛应用。对于多线程的程序来说,线程安全分析很像一个类型系统。在一个多线程的环境中,程序员除了可以声明一个数据的类型(比如,int, float等)之外,还可以声明对数据的访问是如何被控制的。例如,如果变量foo受到互斥锁mu的监控,那么如果如果一段代码在读或者写foo之前没有加锁,就会发出警告。同样,如果一段仅应被GUI线程访问的代码被其它线程访问了,也会发出警告。 入门

#include "mutex.h"class BankAccount {private: Mutex mu; int balance GUARDED_BY(mu); void depositImpl(int amount) { balance += amount; // WARNING! Cannot write balance without locking mu. } void withdrawImpl(int amount) REQUIRES(mu) { balance -= amount; // OK. Caller must have locked mu. }public: void withdraw(int amount) { mu.Lock(); withdrawImpl(amount); // OK. We"ve locked mu. } // WARNING! Failed to unlock mu. void transferFrom(BankAccount& b, int amount) { mu.Lock(); b.withdrawImpl(amount); // WARNING! Calling withdrawImpl() requires locking b.mu. depositImpl(amount); // OK. depositImpl() has no requirements. mu.Unlock(); }};

 

这段代码说明了线程安全分析背后的基本概念。GUARDED_BY属性声明,一个线程在读或写balance变量之前,必须先锁住mu,由此保证对balance的增加和降低操作都是原子的。同样,REQUIRES声明了在调用线程调用withdrawImpl方法之前,必须先锁住mu。因为调用者已经在方法调用之前锁住了mu,因此在方法体内部修改balance就是安全的了。depositeImpl方法没有REQUIRES生命,因此分析模块给出了一个警告。线程安全分析模块并不是进程内部的,因此对调用者的需求必须被显式的声明。在transferFrom方法内部也有一个警告,因为尽管方法锁住了this->mu,它没有锁住b.mu,分析模块知道这是两个不同的锁,分属两个不同的对象。最后,在withdraw方法内部也有一个警告,因为它没有解锁mu。每一个上锁操作必须有一个配对的解锁操作,分析模块将检测成对的上锁和解锁操作。一个函数可以仅上锁而不解锁(反之亦然),但这必须被显式标注(使用ACQUIRE/RELEASE)。 运行分析为了运行分析模块,只需要加入编译选项 -Wthread-safety,比如

clang -c -Wthread-safety example.cpp注意,这段代码假设已经有一个正确的标注文件mutex.h存在,这个文件中声明了哪个方法执行了上锁、解锁的操作。 基本概念:监护权线程安全分析提供了一种使用“监护权”保护资源的方法。“资源”可以是数据成员,或者可以访问底层资源的过程或方法。分析模块保证了,除非调用者线程拥有了对于资源的监护权(调用一个方法,或者读/写一个数据),否则它是无法访问到资源的。监护权被绑定到一些具名的C++对象上,这些对象声明了专用的方法来获取和释放监护权。这些对象的名称被用来识别监护权。最常见的例子就是互斥锁。例如,如果mu是一个互斥锁,那么调用mu.Lock()使得调用者线程拥有了mu所保护的数据的监护权。同样的,调用mu.Unlock()释放监护权。线程可以排他的或者共享的拥有监护权。一个排他的监护权每次仅能被一个线程拥有,而一个共享的监护权可以同时被多个线程拥有。这个机制使得多读一写的模式成为可能。写操作需要排他的监护权,而读操作仅需要共享的监护权。在程序执行的给定时刻,每个线程拥有各自的监护权集合(该线程锁住的互斥锁的集合)。它们类似于钥匙或者令牌,允许线程访问这些资源。跟物理上的安全钥匙一样,线程不能复制、也不能销毁监护权。一个线程只能把监护权释放给另外一个线程,或者从另外一个线程获得监护权。安全起见,分析模块的标识不清楚具体获取和释放监护权的机制,它假设底层实现(例如,互斥锁的实现)能够恰当的完成这个任务。在程序运行的某个具体时刻,某个线程拥有的监护权集合是一个运行时的概念。静态的任务是对这个集合(也被称为监护权环境)进行估计。分析模块会通过静态分析描述程序任何执行节点的监护权环境。这个估计,是对实际运行时监护权环境的保守估计。 应用指导线程安全分析模块使用属性来声明线程约束。属性必须被绑定到具名的声明,比如类、方法、数据成员。我们强烈建议用户为这些不同的属性定义宏,示例请参见以下的mutex.h文件。接下来的说明将假设使用了宏。由于历史原因,线程安全分析模块的早期版本是用了以锁为中心的宏名称。为了适应更普适的模型,这些宏被更改了名称。之前的名称仍然在使用,在接下来的文档里会特别指明。 GUARDED_BY(c) 和 PT_GUARDED_BY(c)GUARDED_BY是一个应用在数据成员上的属性,它声明了数据成员被给定的监护权保护。对于数据的读操作需要共享的访问权限,而写操作需要独占的访问权限。PT_GUARDED_BY与之类似,只不过它是为指针和智能指针准备的。对数据成员(指针)本身没有任何限制,它保护的是指针指向的数据。

Mutex mu;int *p1 GUARDED_BY(mu);int *p2 PT_GUARDED_BY(mu);unique_ptr<int> p3 PT_GUARDED_BY(mu);void test() { p1 = 0; // Warning! *p2 = 42; // Warning! p2 = new int; // OK. *p3 = 42; // Warning! p3.reset(new int); // OK.}REQUIRES(...),REQUIRES_SHARED(...)早期的版本是EXCLUSIVE_LOCKS_REQUIRED,SHARED_LOCKS_REQUIREDREQUIRES是作用于方法或者函数上的属性,它表明了调用线程必须独享给定的监护权。可以指定不止一个监护权。监护权必须在函数的入口处、出口处同时被声明。REQUIRES_SHARED与之类似,只不过仅需要共享的访问权限。

Mutex mu1, mu2;int a GUARDED_BY(mu1);int b GUARDED_BY(mu2);void foo() REQUIRES(mu1, mu2) { a = 0; b = 0;}void test() { mu1.Lock(); foo(); // Warning! Requires mu2. mu1.Unlock();}

 

(未完待续)原文地址:https://clang.llvm.org/docs/ThreadSafetyAnalysis.html

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