如何在x86上使用gcc强制执行内存排序

Posted 2021-04-21

我想在线程（gcc，Linux，x86）之间共享数据结构。假设我在线程A中有以下代码：

shared_struct->a = 1;
shared_struct->b = 1;
shared_struct->enable = true;

线程B是一个周期性任务，首先检查该struct是否为enable标志。

我认为编译器可以重新排序线程A中的写入，因此线程B可以看到不一致的数据。我熟悉ARM上的内存障碍，但如何确保x86上的写入顺序？有没有比volatile更好的方法？

我只想在结构中设置一致状态，将所有内容“刷新”到内存中并在结尾处设置启用标志。

答案

你真的应该使用一个互斥量（因为你提到Pthread），所以在pthread_mutex_lock mtx;中添加一个shared_struct字段（别忘了用pthread_mutex_init初始化它）然后

pthread_mutex_lock(&shared_struct->mtx);
shared_struct->a = 1;
shared_struct->b = 1;
shared_struct->enable = true;
pthread_mutex_unlock(&shared_struct->mtx);

并且在访问该共享数据的任何其他代码中类似地。

您也可以查看atomic operations（但在您的情况下，您最好使用如上所示的mutex）。

阅读一些pthread tutorial。

避免使用race conditions和undefined behavior。

我如何确保写入顺序

你不这样做，除非你正在实现一个线程库（然后它的某些部分应该在汇编程序中编码并使用futex(7)），如nptl(7)在GNU pthreads(7)（或glibc）中实现musl-libc。您应该使用互斥锁，并且您不希望浪费时间来实现线程库（因此请使用现有的线程库）。

请注意，Linux上的大多数C标准库（包括glibc和musl-libc）都是free software，因此您可以研究它们的源代码（如果您想了解如何实现Pthread互斥体等）。

编译器可以重新排序写入

它不是（当然不仅仅是）编译器，而是硬件。了解cache coherence。操作系统也可能涉及（futex(2)有时称为pthread互斥程序）。

另一答案

如果您只需要能够设置enable = true，那么带有发布/获取顺序的stdatomic.h可以为您提供正确的要求。 （在x86 asm中，正常的存储/加载有释放/获取语义，所以阻止编译时重新排序就足够了。但正确的方法是使用atomic，而不是volatile。）

但是，如果您希望能够在修改时再次将enable = false设置为“锁定”读取器，那么您需要更复杂的更新模式。要么用原子手动重新发明一个互斥锁（坏主意;使用标准的库互斥体而不是那个），或者在没有编写器处于更新过程中时，做一些允许多个读取器进行无等待只读访问的东西。

无论是RCU a还是seqlock都可能在这里很好。

对于seqlock，而不是enable = true / false标志，您有一个序列号。读者可以通过在读取其他成员之前然后再检查序列号来检测“撕裂”写入。 （但是所有成员必须是atomic，至少使用mo_relaxed，否则它的数据竞争未定义行为只是从C中读取它们，即使您丢弃该值。您还需要对检查计数器的负载进行足够的排序。例如可能在第一个上获得，然后获取shared_struct->b负载，以确保序列号的第二个负载在它之后排序。（acquire只是一个单向屏障：放松负载后的获取负载不会给你你需要什么。）

RCU使读者始终完全等待;它们只是取消引用指向当前有效结构的指针。更新就像原子替换指针一样简单。回收旧结构是变得复杂的地方：在重用它之前，必须确保每个读取器线程都已读完一块内存。

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在更改其他结构成员之前简单地设置enable = false并不会阻止读者查看enable == true，然后在编写者修改它们时查看其他成员的不一致/部分更新的值。如果您不需要这样做，但只发布新对象以供其他线程访问，那么您描述的序列与atomic_store_explicit(&foo->enable, true, memory_order_release)一样好。