ACCESS_ONCE的作用

Posted 2021-01-25 penghan

如果你看过 Linux 内核中的 RCU 的实现，你应该注意到了这个叫做 ACCESS_ONCE() 宏。

ACCESS_ONCE的定义如下：

#define __ACCESS_ONCE(x) ({ 
     __maybe_unused typeof(x) __var = (__force typeof(x)) 0;     (volatile typeof(x) *)&(x); })
#define ACCESS_ONCE(x) (*__ACCESS_ONCE(x))

仅从语法上讲，这似乎毫无意义，先取其地址，在通过指针取其值。而实际上不然，多了一个关键词 volatile，所以它的含义就是强制编译器每次使用 x 都从内存中获取。

原因：

可以通过几个例子看一下。

1. 循环中有每次都要读取的全局变量：

…
static int should_continue;
static void do_something(void);
…
while (should_continue)
do_something();

假设 do_something() 函数中并没有对变量 should_continue 做任何修改，那么，编译器完全有可能把它优化成：

…
if (should_continue)
for (;;)
do_something();

这很好理解，不是吗？对于单线程的程序，这么做完全没问题，可是对于多线程，问题就出来了：如果这个线程在执行do_something() 的期间，另外一个线程改变了 should_continue 的值，那么上面的优化就是完全错误的了！更严重的问题是，编译器根本就没有办法知道这段代码是不是并发的，也就无从决定进行的优化是不是正确的！

这里有两种解决办法：1) 给 should_continue 加锁，毕竟多个进程访问和修改全局变量需要锁是很自然的；2) 禁止编译器做此优化。加锁的方法有些过了，毕竟 should_continue 只是一个布尔，而且退一步讲，就算每次读到的值不是最新的 should_continue 的值也可能是无所谓的，大不了多循环几次，所以禁止编译器做优化是一个更简单也更容易的解决办法。我们使用 ACCESS_ONCE() 来访问 should_continue：

…
while (ACCESS_ONCE(should_continue))
do_something();

 

2. 指针读取一次，但要dereference多次：

…
p = global_ptr;
if (p && p->s && p->s->func)
p->s->func();

那么编译器也有可能把它编译成：

…
if (global_ptr && global_ptr->s && global_ptr->s->func)
global_ptr->s->func();

你可以谴责编译器有些笨了，但事实上这是C标准允许的。这种情况下，另外的进程做了 global_ptr = NULL; 就会导致后一段代码 segfault，而前一段代码没问题。同上，所以这时候也要用 ACCESS_ONCE()：

…
p = ACCESS_ONCE(global_ptr);
if (p && p->s && p->s->func)
p->s->func();

3. watchdog 中的变量：

for (;;) {
still_working = 1;
do_something();
}

假设 do_something() 定义是可见的，而且没有修改 still_working 的值，那么，编译器可能会把它优化成：

still_working = 1;
for (;;) {
do_something();
}

如果其它进程同时执行了：

for (;;) {
still_working = 0;
sleep(10);
if (!still_working)
panic();
}

通过 still_working 变量来检测 wathcdog 是否停止了，并且等待10秒后，它确实停止了，panic()！经过编译器优化后，就算它没有停止也会 panic！！所以也应该加上 ACCESS_ONCE()：

for (;;) {
ACCESS_ONCE(still_working) = 1;
do_something();
}