使用优化编译时，多线程程序块
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了使用优化编译时，多线程程序块相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
我正在开发一个项目，我必须在管道中进行模拟（任意）计算。管道由阶段组成，每个阶段接受来自前一阶段的输入（除了第一阶段，直接从管道对象接收任务），进行计算并将结果发送到下一阶段。每个阶段都使用单独的执行线程实现。
管道应该具有基本的负载平衡能力：如果（一段时间后）它识别出两个连续阶段的执行时间之和小于最慢阶段的执行时间，它会“折叠”这两个阶段，即它使得它们都使用单个线程顺序运行。
项目中有三个类：类Pipeline和Stage是显而易见的，而类TSOHeap（Thread-Safe Ordered heap）是每个阶段输入中使用的缓冲区。它具有最大大小，并且能够为特殊消息提供最高优先级，以指示必须折叠舞台。
我的问题是：为什么如果我编译没有优化代码运行平稳（或至少不阻止），而如果我编译优化（-O2, -O3）程序块？如果我用调试器运行程序，它会阻塞几次;如果我从终端“正常”运行程序，它几乎总是阻塞。奇怪的是，一个线程阻塞在一条简单的打印线上。在我添加该打印之前（出于调试目的），程序在前一行上被阻塞，这是一个while循环的保护。
我猜这个问题与线程之间的同步有关，但我不知道如何发现故障部分。唯一的常量是程序在调用方法collapse_next_stage()之后阻塞，即在线程停止之后。
任何建议都会受到赞赏，甚至是发现这些错误的一般程序。我报告代码运行一个例子：
“TSOHeap.hpp”类：
#include <mutex>
#include <queue>
#include <vector>
#include <atomic>
#include <climits>
using namespace std;
template<typename T>
struct Comparator{
bool operator()(pair<T,int> p1, pair<T,int> p2){
return p1.second > p2.second;
}
};
//Thread-Safe Ordered Heap
template<typename T>
struct TSOHeap
{
TSOHeap(int _max=10):size{0},max{_max}{};
~TSOHeap(){}
void push(T* item, int id){
while(size==max);
{
lock_guard<mutex> lock(heap_mutex);
heap.push(pair<T*,int>(item, id));
size++;
}
}
pair<T*,int> pop(){
while(size==0);
{
lock_guard<mutex> lock(heap_mutex);
pair<T*,int> p = heap.top();
heap.pop();
size--;
return p;
}
}
priority_queue<pair<T*,int>, vector<pair<T*,int>>,Comparator<T*>> heap;
atomic<int> size;
int max;
mutex heap_mutex;
};
“Stage.hpp”类：
#include "TSOHeap.hpp"
#include <iostream>
#include <thread>
#include <vector>
#include <chrono>
#include <mutex>
using namespace std;;
struct IStage{
virtual void run() = 0;
virtual void wait_end() = 0;
virtual void stage_func() = 0;
virtual double get_exec_time() = 0;
virtual void reset_exec_time()=0;
virtual void add_next(IStage&)=0;
virtual IStage* get_next() = 0;
virtual void* get_input_ptr() = 0;
virtual void set_input(void*) = 0;
virtual void collapse() = 0;
virtual bool is_collapsed() = 0;
virtual void collapse_next_stage() = 0;
virtual int num_collapsed() = 0;
~IStage(){};
};
template <typename Tin, typename Tf, typename Tout>
struct Stage : IStage{
Stage(Tf function, int ind):fun{function}, input_ptr{new(TSOHeap<Tin>)},_end{false},
next{nullptr}, collapsed{0}, i{ind}, exec_time{0.0},count{0},collapsing{false},c{0}{};
~Stage(){delete input_ptr;}
void stage_func(){
Tin * input = input_ptr->pop().first;
if (input!=nullptr){
auto start = chrono::system_clock::now();
Tout out = fun(*input);
auto end = chrono::system_clock::now();
chrono::duration<double> diff = end-start;
set_exec_time(diff.count());
if (next!=nullptr)
next->set_input(new Tout(out));
}
else
_end = true;
}
void run_thread(){
while(!_end){
cout << "t " << i << ", r " << ++c << endl; // BLOCKS HERE
while(collapsing); //waiting that next stage finishes the remaining tasks
stage_func();
if(collapsed==1 && !_end)
next->stage_func();
}
if(collapsed!=-1){
IStage * nptr = next;
if(nptr!=nullptr && nptr->is_collapsed())
nptr = nptr->get_next();
if(nptr!=nullptr)
nptr->set_input(nullptr);
}
else{
while((input_ptr->size)>0)
stage_func();
}
}
void run()
{
thread _t(&Stage::run_thread, this);
t = move(_t);
return;
}
void wait_end()
{
t.join();
}
void set_input(void * iptr)
{
input_ptr->push(static_cast<Tin*>(iptr), ++count);
}
void* get_input_ptr()
{
return input_ptr;
}
void add_next(IStage &n)
{
next = &n;
output_ptr = static_cast<TSOHeap<Tout>*>(n.get_input_ptr());
}
void collapse()
{
collapsed=-1;
input_ptr->push(nullptr, INT_MIN);
// First condition is to avoid deadlock, in case this thread finished the execution in the meanwhile
while(!_end && (input_ptr->size) > 0);
}
bool is_collapsed()
{
return collapsed==-1;
}
void collapse_next_stage()
{
collapsing = true;
next->collapse();
collapsed++;
collapsing = false;
cout << "Stage # " << i << " has collapsed the successive Stage" << endl;
}
IStage* get_next()
{
return next;
}
double get_exec_time()
{
return exec_time;
}
void reset_exec_time()
{
set_exec_time(0.0);
}
void set_exec_time(double value)
{
lock_guard<mutex> lock(et_mutex);
exec_time = value;
}
int num_collapsed()
{
return collapsed;
}
Tf fun;
TSOHeap<Tin> * input_ptr;
bool _end;
IStage * next;
int collapsed;
int const i;
double exec_time;
int count;
mutex et_mutex;
bool collapsing;
int c;
TSOHeap<Tout> * output_ptr;
thread t;
};
“Pipe.hpp”类：
#include "Stage.hpp"
#include <list>
#include <thread>
#include <algorithm>
using namespace std;;
template <typename Tin, typename Tout>
struct Pipe{
Pipe(list<IStage*>li, int n_samples=10):slowest{-1},end{false},num_samples{n_samples}
{
for(auto& s:li)
add_node(s);
}
void add_node(IStage* sptr)
{
if(!nodes.empty())
nodes.back()->add_next(*sptr);
nodes.push_back(sptr);
}
void set_input(void * in_ptr)
{
nodes.front()->set_input(in_ptr);
}
int num_nodes()
{
return nodes.size();
}
void run()
{
for(auto &x: nodes)
x->run();
}
void run(list<Tin>&& input)
{
thread t(&Pipe::run_manager, this, ref(input));
while(!end)
monitor_times();
t.join();
}
void run_manager(list<Tin>& input)
{
run();
for(auto& x:input)
set_input(&x);
set_input(nullptr);
end=true;
for(auto& s : nodes)
s->wait_end();
}
void monitor_times()
{ // initialization phase
vector<int> count;
vector<double> avg;
vector<priority_queue<pair<double,int>, vector<pair<double,int>>,Comparator<double>>> measures;
for(auto& x : nodes){
count.push_back(0);
avg.push_back(0);
measures.push_back(priority_queue<pair<double,int>,
vector<pair<double,int>>,Comparator<double>>());
}
while(!end){
// monitoring phase
for(int i=0; i<nodes.size(); i++){
if(nodes[i]->get_exec_time()!=0){
pair<double,int> measure = pair<double,int>(nodes[i]->get_exec_time(),++count[i]);
nodes[i]->reset_exec_time();
measures[i].push(measure);
if(count[i]<=num_samples){
avg[i] = (avg[i]*(count[i]-1) + measure.first) / count[i];
}
else
{
double old = measures[i].top().first;
// the ordering of the heap guarantees that I drop the oldest measure
measures[i].pop();
avg[i] = (avg[i] * num_samples - old + measure.first) / num_samples;
}
}
}
// updating phase
if(is_steady_state(count)){
int slowest = get_slowest_stage(avg);
for(int i=0; i<nodes.size()-1; i++){
if(avg[i]+avg[i+1]<avg[slowest]){
if(nodes[i]->num_collapsed()==0 && nodes[i+1]->num_collapsed()==0){
nodes[i]->collapse_next_stage();
break;
}
}
}
}
}
}
bool is_steady_state(vector<int>& count){
for(auto& c: count){
if(c < num_samples) return false;
}
return true;
}
int get_slowest_stage(vector<double>& avg){
double max = 0.0;
int index = -1;
for(int i=0; i<avg.size(); i++){
if(avg[i]>max){
max=avg[i];
index = i;
}
}
return index;
}
int slowest;
bool end;
int num_samples;
vector<IStage*> nodes;
};
类“main.cpp”：
#include<iostream>
#include<functional>
#include <chrono>
#include<cmath>
#include "Pipe.hpp"
using namespace std;;
auto f = [](int x){
int c = 0;
for(int i=0; i<300; i++)
c=sin(i);
return x;
};
auto fast = [] (int x) {return x;};
auto fast_init = [](int x){
if(x < 5)
return x;
int c=0;
for(int i=0; i<300; i++)
c=sin(i);
return x;
};
auto print = [] (int x) {
cout << "Result: " << x << " " << endl;
return x;
};
int main(int argc, char* argv[])
{
auto print_usage_msg = [&](){
cout << "Usage: " << argv[0] << " <func_type>
" <<
"<func_type> =
"
" 0 to have 2 consecutive stages running the fast function
"
" 1 to have 2 consecutive stages running the fast function "
"but after a short time reaching steady state " << endl;
};
if(argc!=2){
print_usage_msg();
return 1;
}
int fun_code = atoi(argv[1]);
if (fun_code!=0 && fun_code!=1){
print_usage_msg();
return 1;
}
Stage<int,function<int(int)>,int> s1{f,1};
Stage<int,function<int(int)>,int> s2{f,2};
Stage<int,function<int(int)>,int> s3{f,3};
Stage<int,function<int(int)>,int> s4{f,4};
Stage<int,function<int(int)>,int> s5{f,5};
Stage<int,function<int(int)>,int> s6{f,6};
Stage<int,function<int(int)>,int> s7{f,7};
Stage<int,function<int(int)>,int> sp{print,8};
if(fun_code==0){
s2.fun = fast;
s3.fun = fast;
}
else{
s2.fun = fast_init;
s3.fun = fast_init;
}
Pipe<int,int> p ({&s1, &s2, &s3, &s4, &s5, &s6, &s7, &sp});
cout << "Pipe length: " << p.num_nodes() << endl;
list<int> li {};
for(int i=0; i<100; i++)
li.push_back(i);
p.run(move(li));
return 0;
}
编译：
g++ main.cpp -std=c++11 -pthread -O3 -o gpipe -g
运行：
./gpipe 1
谢谢你的帮助！
答案
想象一下单线程程序的以下代码：
void func()
{
bool a = true;
while(a)
{
// busy wait...
}
}
这个功能会回归吗？显然不是。如果您是编译器，您将如何为此编写优化代码？
1: NOP
2: GOTO 1
这正是您使用这段代码所做的。两次。
while(!_end){ // here #1
cout << "t " << i << ", r " << ++c << endl;
while(collapsing) // here #2
; // for the love of God, move your semicolon here or use braces
stage_func();
if(collapsed==1 && !_end)
next->stage_func();
}
您的编译器绝对没有义务意识到您正在进行多线程编程。 （这是你的工作告诉它）
编译器需要知道不要对_end和collapsed执行优化。不要使用volatile。为什么？ volatile将阻止编译器优化变量，但是......嘿嘿...... CPU还可以从不同的线程中优化掉你对_end和collapsed的写入（通过将它们保存在缓存中而不是写入主内存）。编译器和CPU也将重新排序您的指令，这可能会导致类似的问题。
内存栅栏（也称为内存屏障）可用于指示CPU执行诸如推出挂起写入或重新更新其缓存值以进行读取之类的操作。它们还为命令重新排序提供指导。 AFAIK std :: atomic_thread_fence将阻止编译器重新排序，但我已经阅读了有关此问题的相互矛盾的事情......
到目前为止，最简单，最实用，最容易证明正确的事情就是将所有线程间通信变量切换为std :: atomic <>类型，这些类型包含内存屏障。所以
std::atomic<bool> _end;
std::atomic<int> collapsed;
作为一般规则，线程之间共享的任何数据都应该由互斥锁保护，或者如果竞争条件不是问题（正如您使用简单信令那样），则应该是std :: atomic <>。如果你真的知道自己在做什么，并且真正了解架构，编译器和标准实现，那么你可以打破这个规则，但即使是专家也是如此。
顺便说一句，互斥锁的锁定和解锁操作都包含一个内存屏障，以防你担心。所以当你从TSOHeap得到一个指针时，那很好（假设你的TSOHeap实现是正确的......我没看过它）。
另一答案
使用TSOHeap时，你在size有种族条件。虽然size是原子的，但它是较大状态的一部分而非原子状态，因此size的变化与状态其余部分的变化不同步。
使size非原子化并仅在互斥锁被锁定时访问它。添加条件变量以通知在push和pop中等待的线程。
或者，完全删除size。例：
template<typename T>
struct TSOHeap
{
TSOHeap(size_t _max=10): max{_max}{}
void push(T* item, int id){
unique_lock<mutex> lock(heap_mutex);
while(heap.size() == max)
cnd_pop.wait(lock);
heap.push(pair<T*,int>(item, id));
cnd_push.notify_one();
}
pair<T*,int> pop() {
pair<T*,int> result = {};
{
unique_lock<mutex> lock(heap_mutex);
while(heap.empty())
cnd_push.wait(lock);
bool notify = heap.size() == max;
result = heap.top();
heap.pop();
if(notify)
cnd_pop.notify_one();
}
return result;
}
mutex heap_mutex;
condition_variable cnd_push, cnd_pop;
priority_queue<pair<T*,int>, vector<pair<T*,int>>,Comparator<T*>> heap;
size_t const max;
};
以上是关于使用优化编译时，多线程程序块的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章
C++ volatile关键字（多线程中声明为易变值不稳定值，告诉程序每次都从内存读取，不被编译优化，防止被优化后变量异常）