juan_gandhi: (Default)
Juan-Carlos Gandhi ([personal profile] juan_gandhi) wrote2007-04-11 02:48 pm

java synchronization gone wild and back

Hey, so, you, like everyone else, decided to make your static initialization thread-safe. You have a singleton that is hard to instantiate, and You have something like this:


static My worker;

static My worker() {
  if (worker == null) {
    worker = new MyImplementation();
  }
  return worker;
}


and it does not work, because, say, a dozen of servlet threads in parallel are trying to reinitialize your singleton like crazy; a minute that it takes to instantiate one, turns into 12 minutes, since all 12 are trying to do the same.

Okay, you synchronize it:


static My worker;

static synchronized worker() {
  if (worker == null) {
    worker = new MyImplementation();
  }
  return worker;
}


In this case you lock execution on the whole class; your class may have a bunch of other singletons, and they will all stand in line waiting for this specific singleton to be retrieved - looks stupid, right? so you introduce a gentle check:


static My worker;

static worker() {
  if (worker == null) {
    synchronized {
      worker = new MyImplementation();
    }
  }
  return worker;
}


See, before instantiating, you check whether it is instantiated already.

The trouble is, your twelve threads will get through this check and wait on the same barrier before synchronized block, and then will instantiate the singleton, one after another, taking 12 minutes in total. Okay, you get angry, you open a book and steal a solution, the famous double-check trick:


static My worker;

static worker() {
  if (worker == null) {
    synchronized {
      if (worker == null) {
        worker = new MyImplementation();
      }
    }
  }
  return worker;
}


Now you feel good, the threads would not reinitialize the same singleton, because when the second threads penetrates the synchronized block, worker is already not null. You feel good... but then you open Josh and Neal's Java Puzzlers, and see that oops, this won't work on a multiprocessor machine. Why? See, by the time the first thread leaves the syncrhonized block, the value of worker may not reach the memory shared by the threads.

So, the solution suggested is this:


static My worker;
private interface HR {
  My getWorker();
}

private static HR catbert = new HR() {
  My worker = new MyImplementation();
  My getWorker() {
    return worker;
  }
}

static worker() {
  return catbert.getWorker();
}


See, the trick is that the singleton is provided by a static class, which is loaded strictly once, which is guaranteed by the class loader.

Now enters "new Java 5", not sure which one, 1.5.0.6 or 1.5.0.7. Bug fixed. All you have to do is declare My worker volatile:


volatile static My worker;

static worker() {
  if (worker == null) {
    synchronized {
      if (worker == null) {
        worker = new MyImplementation();
      }
    }
  }
  return worker;
}


So, now we are back to circle 3: after a bugfix, double checks are legal again.

[identity profile] ex-ex-zhuzh.livejournal.com 2007-04-12 04:06 am (UTC)(link)
первая проверка на NULL происходит до входа в mutex. если второй процесс уже внутри, но не выполнил ещё unlock, никакого барьера нет.

[identity profile] itman.livejournal.com 2007-04-12 04:17 am (UTC)(link)
Вот, что говорит комментарий в реализации pthrad_mutex_*:

* Note regarding memory visibility: Pthreads has rules about memory
* visibility and mutexes. Very roughly: Memory a thread can see when
* it unlocks a mutex can be seen by another thread that locks the
* same mutex.


То есть, второй тред, который ждет на мьютексе, войдя в мьютекс, увидит уже новое значение переменной, которое обновилось предыдущем тредом. Что в этом утверждении может быть неправильно?

[identity profile] 109.livejournal.com 2007-04-12 06:34 am (UTC)(link)
дочитал этот крайне интересный текст до середины, дальше не хватило сил, потому что с самого начала было понятно, как писать правильно (C#):

private static object workerSyncRoot = new object();
private static My worker;
public  static My Worker
{
  get 
  {
    if (worker == null)
      lock (workerSyncRoot)
        if (worker == null)
          worker = new MyImpl();
    return worker;
  }
}


я правильно угадал концовку?

[identity profile] 109.livejournal.com 2007-04-12 06:58 am (UTC)(link)
довольно вредная дурацкая misleading статья, поскольку:

1. статические констракторы что, святым духом обеспечивают единственность инициализации? тем же самым lock(), так что performance inefficiency решения №2 никуда не девается.

2. singleton pattern в его классическом понимании is dead. во всех случаях, когда действительно нужен единственный инстанс класса, его можно просто заменить на static class.

3. если не синглтон, а просто статический член с долгой инициализацией, то что делать?

4. ну и наконец, заявление "it's broken in .NET too" безо всяких пояснений никуда не годится. как именно broken? почему broken?

[identity profile] 109.livejournal.com 2007-04-12 07:07 am (UTC)(link)
а, вот ещё. class Nested у нас internal и таким образом будет бессмысленно болтаться в скопе всех клиентов внешнего класса в этой сборке.

[identity profile] anspa.livejournal.com 2007-04-12 07:08 am (UTC)(link)
прямо collision detection напрашивается с рандомной задержкой от x до y миллисекунд. :)

(до чего же все-таки джава ебанутая)

[identity profile] ex-ex-zhuzh.livejournal.com 2007-04-12 07:35 am (UTC)(link)
последовагельность действий такая.

первый тред проверяет указатель на ноль, входит в мьютекс, инициализирует объект.
второй тред проверяет указатель на ноль.

поскольку первый тред еще не вышел из мьютекса и не выполнил команду барьера, состояние общей памяти неконсистентно, второй тред видит ненулевой указатель, указывающий на недостроенный объект.

[identity profile] 109.livejournal.com 2007-04-12 07:38 am (UTC)(link)
гм, я так и думал. double-checking paradigm is not broken in CLR, except maybe the implementation running on alpha (if such implementation even exists). all other hardware (x86, ia64, amd64) provide memory model strong enough to avoid the problem. see http://blogs.msdn.com/cbrumme/archive/2003/05/17/51445.aspx

[identity profile] 109.livejournal.com 2007-04-12 08:13 am (UTC)(link)
насколько я понял, выход из лока как раз гарантирует синхронизацию, независимо от количества процессоров и их кэшей. store.release semantics, whatever that means. то есть вторая проверка _никогда_ не увидит null, если инициализация уже произошла. проблема в том, что _первая_ проверка может увидеть не null из-за реордеринга операций внутри лока. использование слова volatile решает именно эту проблему, запрещая реордеринг операции присвоения волатильной переменной. интересно, что слово volatile в естественном языке означает нечто обратное по смыслу, а сюда бы как раз подошло ключевое слово типа "solid" или "enforce" на худой конец.

[identity profile] ex-chrobin.livejournal.com 2007-04-12 08:22 am (UTC)(link)
singleton is a sick pattern

[identity profile] 109.livejournal.com 2007-04-12 08:23 am (UTC)(link)
во-от, а значит, чтобы и на железе с weak memory model работало, нужно просто барьер в нужный момент передёрнуть, типа:

    if (worker == null)
      lock (workerSyncRoot)
        if (worker == null)
        {
          My tempWorker = new MyImpl();
          Thread.MemoryBarrier();
          worker = tempWorker;
        }
    return worker;

[identity profile] itman.livejournal.com 2007-04-12 03:45 pm (UTC)(link)
Согласно комментариям:
* A memory barrier after a lock and before an unlock will provide
* this behavior.
Врет комментарий? (пардон нет пока времени разбираться в коде)

[identity profile] ivan-gandhi.livejournal.com 2007-04-12 03:48 pm (UTC)(link)
Эта теория многих сбивала с толку, в том числе и меня. Хотелось бы, конечно, выслушать аргументы, почему оно не работает, но скорее всего именно поэтому, что надоест синхронизировать на каждый чих, особенно если процессоров много.

[identity profile] sab123.livejournal.com 2007-04-12 04:23 pm (UTC)(link)
Криворукая Сановская архитектура. Вместо того, чтобы делать консистентность кэшей в железе (как Интел), они полагаются на явные барьеры в программах. Т.е. есть такая явная инструкция "синхронизировать кэш". Экономии железа при этом с гулькин нос, но зато сколько геморрою! И, кстати, как я понимаю, производительность при железной (как у Интела) синхронизации кэшей все равно получается лучше за счет того, что меньше невинных неразделяемых данных сваливается из кэша в память.

[identity profile] sab123.livejournal.com 2007-04-12 04:42 pm (UTC)(link)
<<
static My worker;

static worker() {
  if (worker == null) {
    synchronized {
      if (worker == null) {
        worker = new MyImplementation();
      }
    }
  }
  return worker;
}


Now you feel good, the threads would not reinitialize the same singleton, because when the second threads penetrates the synchronized block, worker is already not null. You feel good... but then you open Josh and Neal's Java Puzzlers, and see that oops, this won't work on a multiprocessor machine. Why? See, by the time the first thread leaves the syncrhonized block, the value of worker may not reach the memory shared by the threads.
>>

Nope. The only real reason could be that the Java compiler remembers the value of "worker" in the virtual machine registers/stack before it gets the mutex, and then when the mutex synchronizes the memory, the old value from the registers continues to be used throughout the constructor. That's why "volatile" fixes it: it requires that the value gets pulled from the memory afresh every time. I would expect it from C++, but then Java has synchronization as a language statement, so it should treat these statements as barriers for storing temporary values in registers.

BTW, probably a simpler initialization is something like this (my Java nay contain syntax errors):

class My;

// this class will provide synchronization for
// the initialization of class My
class MyHelper {
    static synchronized void getMy()
    {
        My::initialize();
    }
};

class My {
protected:
    friend class MyHelper;

    static My worker;

    static void initialize()
    {
        if (worker == null)
            worker = new My();
    }

public:
    static My worker() 
    {
        MyHelper::getMy();
        return worker;
    }
};


Overall the Java synchronized stuff is way too uglier than it seems at first :-( And singletons are Evil.

[identity profile] ex-ex-zhuzh.livejournal.com 2007-04-12 05:10 pm (UTC)(link)
возьмём снова это утверждение:

//То есть, второй тред, который ждет на мьютексе, войдя в мьютекс, увидит уже новое значение переменной, которое обновилось предыдущем тредом.//

оно правильное, и барьеры памяти гарантируют такое поведение. но утверждение говорит о треде, который вошёл в мьютекс. а у нас имеется тред, который НЕ вошёл в мьютекс. то есть абсолютно вся память, которая разделяется тредами, должна быть защищена мьютексами, иначе ничего не гарантируется. а у нас есть указатель, который читается снаружи.

[identity profile] selfmade.livejournal.com 2007-04-12 06:10 pm (UTC)(link)
1. Я посмотрел MSIL для 2-го решения и 5-го. Во втором используется lock, собственно как это и видно из исходника. В пятом не используются локи, по крайней мере я не нашёл. Если я правильно понимаю, то вся хитрость в реализации CLR, которая гарантирует единственность выполнения статического конструктора на AppDomain (возможно эта реализация использует lock в своём unmanaged code, не знаю как проверить). Наверное стоило скомпилировать в native code и проверить так, но я не знаю assembler.

Производительность всегда можно померять.

2. В .NET инстанс статического класса создастся даже тогда, когда есть вызовы его статических членов. Если у нас есть статические члены не связанные по функциональности с нашим "синглтоном", то хотелось бы развязать вызовы этих членов и создании инстанса класса. С другой стороны понятно, что это кривизна дизайна.

3. Так этот вопрос совершенно не касается singleton. Возможно в этом случае lock является лучшим вариантом.

4. Согласен.

[identity profile] vital-sol.livejournal.com 2007-04-12 06:16 pm (UTC)(link)
если у каждого процессора свой кэш, тогда каждому процессору нужен свой синглтон, получается.

[identity profile] 109.livejournal.com 2007-04-12 06:29 pm (UTC)(link)
3. как не касается? решение, преподносимое как самое лучшее, будет работать только для "настоящего" синглтона, а для просто статического члена - всё равно надо double checking and all that jazz.

2. В .NET инстанс статического класса создастся даже тогда, когда есть вызовы его статических членов.

мнэ... huh?

0. на самом деле я, конечно, погорячился. просто обидно стало, что годами проверенный код вдруг так походя записали в bad. действительно интересно, чем обеспечивается единственность вызова статического констрактора - но даже если тем же локом или unmanaged аналогом, то реализация со вложенным классом всё равно мне больше нравится, несмотря даже на "лишний" элемент в скопе. а в джаве так и этого минуса нет, там вложенный класс виден внешнему, даже если он private.

[identity profile] 109.livejournal.com 2007-04-12 06:33 pm (UTC)(link)
That's why "volatile" fixes it: it requires that the value gets pulled from the memory afresh every time.

yes, but that's exactly why the solution with "volatile" is not the best: you incur the performance hit every time you access the member.

[identity profile] 109.livejournal.com 2007-04-12 06:45 pm (UTC)(link)
3. я тормоз. действительно, и для обычного статического члена эту технику можно применить с таким же успехом.

[identity profile] selfmade.livejournal.com 2007-04-12 06:48 pm (UTC)(link)
Ага. А потом окажется, что CLR under the hood делает лок и мы оказываемся не только с локом, но и с лишним классом впридачу. :)

Что там народ из CLR team говорит по этому поводу?

[identity profile] sab123.livejournal.com 2007-04-12 06:50 pm (UTC)(link)
Though in this particular case it doesn't matter much :-) I suppose even in the more serious cases an extra access to the cache tends to be not that bad.

[identity profile] ivan-gandhi.livejournal.com 2007-04-12 06:58 pm (UTC)(link)
Man, you are right! That's the sound reason for using The Initialization On Demand Axiom (idiom).

[identity profile] 109.livejournal.com 2007-04-12 07:02 pm (UTC)(link)
I'd rather call MemoryBarrier() explicitly inside the lock and be done with it.

Page 2 of 3