原子线程围栏：为啥这个非原子变量存在数据竞争？这有关系吗？

Posted 2023-02-22

【中文标题】原子线程围栏：为啥这个非原子变量存在数据竞争？这有关系吗？

【英文标题】：atomic thread fence: Why is there a data race on this non atomic variable? And does it matter?原子线程围栏：为什么这个非原子变量存在数据竞争？这有关系吗？

【发布时间】：2019-01-09 12:51:56

【问题描述】：

假设我们有 2 个线程。一名生产者和一名消费者。我们有生产数据的生产者和使用这些数据的消费者。但是守卫不是原子的！

bool isDataReady = false;
int data = 0;

void Producer() 
  data = 42;
  std::atomic_thread_fence(std::memory_order_release);
  isDataReady = true;


void Consumer() 
  while(!isDataReady);
  std::atomic_thread_fence(std::memory_order_acquire);
  assert(data == 42);

我想知道为什么isDataReady 上存在数据竞争。 通常，正确的代码应该是对原子 bool 变量使用 relaxed 排序。

是不是因为对 isDataReady 的写入（事务）可能在读取之前没有完成？即使是这样，这真的是个问题吗？

【问题讨论】：

IIRC，栅栏确保存储/加载的同步顺序。但是，您仍然可以从两个线程一次访问相同的内存位置（isDataReady 变量），其中一个线程更新它，这是数据竞争的定义（以及 C++ 中的 UB）。

@DanielLangr 如果存在数据竞争（即使它不是“问题”），它是 C++ 中的 UB？

@AntoineMorrier 是的：eel.is/c++draft/intro.races#21.sentence-3.

你没有提到 CPU。

【参考方案1】：

TL;DR

这种数据竞赛很危险，您应该注意消除它。它可能由于你的运气而不会表现出来，但它最终会引起头痛。

有点长

由于一些问题，此代码存在问题：

在编译 Consumer 时，编译器不知道 isDataReady 可以在后台更改，因此发出 while(!isDataReady) 无限循环或什么都不发出是完全合理的（由于 forward progress guarantee，正如所指出的那样以 cmets 为单位）。

如果对bool 的写入和/或读取不是原子的（在大多数平台上并非如此，但理论上是可能的）任何读取都可能导致获取垃圾数据。

带有std::memory_order_release 的内存栅栏确保在其他线程使用std::memory_order_acquire 调用栅栏后，线程中发生的更改将可见（至少在简化时）。因此，布尔变量的变化可能在其他线程中是不可见的。

由于现代处理器的超标量架构，操作可能会在运行时由处理器重新排序。因此，从Consumer 可见的Producer 中的内存写入顺序可能与代码中的顺序不同。

【讨论】：

由于前向进度保证，编译器不发射任何内容而不是无限循环（我相信）同样合理。

对于 1)，使 isDataReady volatile 修复问题。 2) volatile 不够，需要原子操作。 3）同样，我需要一个原子（因为原子操作是在内存位置完成的），所以 bool 的变化在其他线程中变得可见。 4）由于我使用的是内存围栏，所以这不是一个真正的问题。我说的对吗？

@AntoineMorrier AFAIK 1)y 2)y 3) 和 4) 是的，但是您必须正确放置内存栅栏。

@AntoineMorrier 是的，只需将第一条内存栅栏线向下移动，然后将第二条内存栅栏线移到上面的 dowhile 线上方，一切都会好的

@AntoineMorrier 如果您关心性能，您可能对非阻塞等待感兴趣（例如，由条件变量提供）。在循环中读取原子 bool 会有效地阻塞 CPU（自旋锁 - 忙于等待），这仅在您知道不能以其他方式使用该 CPU（内核）并且等待时间很短时才有用。