V5604. OWASP. Potentially unsafe double-checked locking. Use volatile variable(s) or synchronization primitives to avoid this.

Анализатор обнаружил потенциальную ошибку, связанную с небезопасным использованием шаблона "блокировки с двойной проверкой" (double checked locking). Блокировка с двойной проверкой - это шаблон, предназначенный для уменьшения накладных расходов получения блокировки. Сначала проверяется условие блокировки без синхронизации. И только если условие выполняется, поток попытается получить блокировку. Таким образом, блокировка будет выполнена только если она действительно была необходима.

Рассмотрим пример небезопасной реализации данного шаблона на языке C#:

private static MyClass _singleton = null;
public static MyClass Singleton
{
  get
  {
    if(_singleton == null)
      lock(_locker)
      {
        if(_singleton == null)
        {
          MyClass instance = new MyClass();
          instance.Initialize();
          _singleton = instance;
        }
      }
    return _singleton;
  }
}

В данном примере шаблон используется для реализации "ленивой инициализации" - инициализация откладывается до тех пор, пока значение переменной не понадобится. Данный код будет корректно работать в программе, использующей объект '_singleton' из одного потока. Для обеспечения безопасной инициализации в многопоточной программе обычно используется конструкция 'lock', однако в нашем примере этого оказывается недостаточно.

Обратите внимание на вызов метода 'Initialize()' у объекта 'Instance'. В Release версии программы, компилятор может оптимизировать данный код и порядок назначения переменной '_singleton' и метода 'Initialize()' могут поменяться. Таким образом, другой поток, обратившись к 'Singleton' одновременно с инициализирующим потоком, может получить доступ к объекту до того, как инициализация будет завершена.

Рассмотрим другой пример использования шаблона блокировки с двойной проверкой:

private static MyClass _singleton = null;
private static bool _initialized = false;
public static MyClass Singleton;
{
  get
  {
    if(!_initialized)
      lock(_locker)
      {
        if(!_initialized)
        {
          _singleton = new MyClass();
          _initialized = true;
        }
      }
    return _singleton;
  }
}

Мы видим, что, как и в предыдущем примере, оптимизация компилятором порядка назначений переменных '_singleton' и '_initialized' может привести к ошибке. Т.е. в начале переменной '_initialized' будет присвоено значение 'true', а уже потом создастся новый объект типа 'MyClass' и ссылка не него будет записана в '_singleton'.

Такая перестановка может привести к ошибке при доступе к объекту из параллельного потока. Получается, что переменная '_singleton' будет ещё не назначена, а флаг '_intialize' уже будет выставлен в 'true'.

Одна из опасностей таких ошибок состоит в том, что часто кажется, будто программа работает корректно. Это происходит из-за того, что рассмотренная ситуация будет возникать не очень часто, в зависимости от архитектуры используемого процессора, версии CLR и т.п.

Есть несколько способов обеспечить потоко-безопасность для данного шаблона. Самым простым будет пометить проверяемую в условии if переменную ключевым словом volatile:

private static volatile MyClass _singleton = null;
public static MyClass Singleton
{
  get
  {
    if(_singleton == null)
      lock(_locker)
      {
        if(_singleton == null)
        {
          MyClass instance = new MyClass();
          instance.Initialize();
          _singleton = instance;
        }
      }
    return _singleton;
  }
}

Использование ключевого слова 'volatile' предотвратит для переменной возможные оптимизации компилятора, связанные с перестановками инструкций записи\чтения и кэшированием её значения в регистрах процессора.

Из соображений производительности не всегда желательно объявлять переменную как 'volatile'. В этом случае можно организовать доступ к переменной с помощью методов: 'Thread.VolatileRead', 'Thread.VolatileWrite' и 'Thread.MemoryBarrier'. Эти методы создадут барьеры по чтению\записи памяти только там, где это необходимо.

Наконец, для реализации "ленивой инициализации" можно воспользоваться специально предназначенным для этого классом 'Lazy<T>', доступным начиная с .NET 4.

См. также статью: Выявление неправильной блокировки с двойной проверкой с помощью диагностики V3054.

Данная диагностика классифицируется как: