QuantLib 金融计算——一个线程安全隐患

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QuantLib 金融计算——一个线程安全隐患

概述

C++ 11 后标准库引入了 thread 以实现并行计算。与 OpenMP 不同，thread 对线程的操作属于粗粒度的，适合将若干耗时的计算任务先做独立封装，再并行运行。以蒙特卡洛方法为例，敏感性的计算需要反复进行模拟定价，而这些定价计算则可以借助 thread 并行化。

一个线程安全隐患

QuantLib 当前的设计存在着一个不易发觉的线程安全隐患，即 LazyObject 中避免重复计算的机制。LazyObject 用模板方法模式实现了 calculate，而 calculate 会修改 calculate_ 的值（一个 mutable 变量）。并行计算时可能在此处触发数据竞争，这导致 LazyObject 的派生类都是线程不安全的。

例如，最常用的期限结构类 FlatForward 就是 LazyObject 的派生类，若并行计算任务直接或间接共用了同一个 FlatForward 对象，则可能引发程序崩溃。

class LazyObject : public virtual Observer,
                   public virtual Observable {
  protected:
    mutable bool calculated_;
    virtual void performCalculations() const = 0;

  public:
    void update() { calculated_ = false; }
    virtual void calculate() const {
        if (!calculated_ && !frozen_) {
            calculated_ = true;   // prevent infinite recursion in
                                  // case of bootstrapping
            try {
                performCalculations();
            } catch (...) {
                calculated_ = false;
                throw;
            }
        }
    }
};

解决办法

若要修改源代码，参考 Effective Modern C++ 第 16 条，可以为 calculate 方法加锁。

若不修改源代码，可以在并行计算开始前触发 LazyObject 的派生类对象的计算，使 calculated_ 的值为 true。

还是以 FlatForward 为例，calculate 在 discountImpl 中被调用，而计算零息利率、远期利率和贴现因子的方法都会调用 discountImpl。随便算一次贴现因子就可以使 calculated_ 的值为 true。