为啥标准库不以无锁方式为 8 字节以下的结构实现 std::atomic？

Posted 2023-02-16

【中文标题】为啥标准库不以无锁方式为 8 字节以下的结构实现 std::atomic？

【英文标题】：Why don't standard libraries implement std::atomic for structs under 8 bytes in a lock-free manner?为什么标准库不以无锁方式为 8 字节以下的结构实现 std::atomic？

【发布时间】：2019-09-17 13:56:57

【问题描述】：

假设体系结构可以为 std::atomic 以无锁方式支持 8 字节标量。为什么标准库不为 8 字节以下的结构提供类似的特化？

这种 std::atomic 特化的简单实现可以将结构体序列化/反序列化（使用std::memcpy）成等效的std::uintx_t，其中x 是结构体的宽度（以位为单位）（四舍五入到大于或等于结构宽度的 2 的最接近幂）。这将是很好的定义，因为 std::atomic 要求这些结构可以轻松复制。

例如。 https://godbolt.org/z/sxSeId，这里Something只有3个字节，但是实现调用__atomic_load和__atomic_exchange，都使用了锁表。

【问题讨论】：

gcc 如果您将结构设为 4 个字节（但不是 3 个字节），则它会正确，请参阅godbolt.org/z/d1OCmG。铿锵声没有。

@PaulSanders 有趣，我想知道为什么 3 个字节不起作用..

没有 x86 指令可以加载/存储 3 个字节，更不用说原子了。

@rustyx 啊，对不起，但你总是可以占用超过 2 的下一个幂的大小，对吧？ §[atomics.types.generic]p3 部分允许这样做 - 原子特化的表示不需要与其相应的参数类型具有相同的大小。我猜这有可移植性问题？

@Curious：当我说“强制对齐”时，我指的是alignas(4)。

【参考方案1】：

Linux 的 atomic<T> 不幸的是（？）不对齐 / 填充到 2 的幂大小。 std::atomic<Something> arr[10] 的 sizeof(arr) = 30。(https://godbolt.org/z/WzK66xebr)

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使用struct Something alignas(4) char a; char b,c; ; （不是alignas(4) char a,b,c;，因为这会使 each 字符填充到 4 个字节，以便它们每个都可以对齐。）

具有非 2 次幂大小的对象可能跨越缓存线边界，因此并非总是可以使用更宽的 4 字节负载。

另外，纯存储总是必须使用 CAS（例如lock cmpxchg）来避免发明写入对象外部的字节：显然你不能使用两个单独的mov 存储（2 字节 + 1 字节) 因为这不是原子的，除非您在 TSX 事务中使用重试循环执行此操作。

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x86 加载/存储仅保证不跨越 8 字节边界的内存访问是原子的。 （在某些供应商/uarches 上，缓存线边界。或者对于可能无法缓存的加载/存储，基本上自然对齐是您所需要的）。 Why is integer assignment on a naturally aligned variable atomic on x86?

您的struct Something char a, b, c; ; 没有对齐要求，因此没有阻止Something 对象跨越2 个缓存行的C++ 规则。这将使它的普通-mov 加载/存储绝对不是原子的。

gcc 和 clang 选择使用与 T 相同的布局/对象表示来实现 atomic<T>（无论是否无锁）。因此atomic<Something> 是一个 3 字节的对象。因此，atomic<Something> 的数组必然有一些跨越高速缓存行边界的对象，并且不能在对象外部进行填充，因为这不是数组在 C 中的工作方式。sizeof() = 3 告诉您数组布局。 这使得无锁 atomic<Something> 成为不可能。（除非您使用 lock cmpxchg 加载/存储即使在缓存行拆分时也是原子的，否则在这样做的情况下会产生巨大的性能损失发生。最好让开发人员修复他们的结构。）

atomic<T> 类可以比T 有更高的对齐要求，例如atomic<int64_t> 有 alignof(atomic_int64_t) == 8，这与许多 32 位平台上的alignof(int64_t) == 4 不同（包括 i386 System V ABI )。

如果 gcc/clang 没有选择保持布局相同，他们可以让 atomic<T> 填充小对象到 2 的下一个幂并添加对齐，以便它们可以无锁。这将是一个有效的实施选择。我想不出任何缺点。

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有趣的是，gcc 的 C11 _Atomic 支持是 slightly broken on 32-bit platforms with 64-bit lockless atomics ：_Atomic int64_t 可能在结构内部错位导致撕裂。他们仍然没有更新 _Atomic 类型的 ABI 以实现自然对齐。

但是 g++ 的 C++11 std::atomic 在头文件中使用了一个模板类，不久前修复了该错误 (https://gcc.gnu.org/bugzilla/show_bug.cgi?id=65147);确保 atomic<T> 具有自然对齐（最大为 2 大小的幂），即使 T 具有对齐

【讨论】：

哦，缓存线拆分确实很有意义，谢谢！