带有空主体的while循环检查易失性整数-这是啥意思？

Posted 2023-03-15

【中文标题】带有空主体的while循环检查易失性整数-这是啥意思？

【英文标题】：While loop with empty body checking volatile ints - what does this mean?带有空主体的while循环检查易失性整数-这是什么意思？

【发布时间】：2016-02-12 05:14:57

【问题描述】：

我正在查看具有以下几行的 C++ 类：

while( x > y );
return x - y;

x 和y 是volatile int 类型的成员变量。我不明白这个结构。

我在这里找到了代码存根：https://gist.github.com/r-lyeh/cc50bbed16759a99a226。我猜它不能保证正确甚至有效。

【问题讨论】：

您确定您的转录正确（尤其是第一行末尾的分号）？

如果x > y你的代码会陷入死循环。

@Luca 该代码在什么环境中运行？是否是某个嵌入式控制器，其中 x 和 y 从外部更改（例如通过中断处理程序）？

@Luca 转录不正确：原始有 while(x-y); return y-x; 并且只有 y 是易变的，而不是两者。但这不会改变接受的答案。

虽然以下答案可能是正确的，但我发现整个事情更有可能是个笑话。它以洛夫克拉夫特神话中的拉莱耶城命名。这座按照疯狂的原则建造的城市，光是看着就会让你发疯。

【参考方案1】：

由于x 和y 已被声明为易失性，程序员预计它们将从程序外部进行更改。

在这种情况下，您的代码将保留在循环中

 while(x>y);

并在值从外部更改为x <= y 后返回值x-y。在您告诉我们有关您的代码以及您在哪里看到它的更多信息后，可以猜到编写此代码的确切原因。在这种情况下，while 循环是一种等待其他事件发生的技术。

【讨论】：

也许值得注意的是，如果x - y 正在执行，x > y 可能再次为真（同时更改）。在进行所有这些检查和计算之前将其读入局部变量不是更安全吗？

@Caramiriel：你是对的，但情况更糟。由于x 和y 是不同的变量，因此它们会单独更新和读取，并且声明它们volatile 不会改变这一点。因此，一个线程可能会以一种不打算改变x>y 的结果的方式同时更改两个变量，但是这个循环可能会读取一个中间状态，其中只有一个变量已被更新并且x>y 虚假地评估为假。当然，这在调试过程中永远不会发生……

请注意，这对 CPU 使用率不利，因为它可能会立即重新迭代几秒钟。老实说，当前线程应该至少休眠一毫秒，这已经大大降低了 CPU 使用率。

但是，如果应用在微控制器上，代码就相当不错了。芯片可能太小而无法通过定时器中断进行适当的线程或调度。不确定这种方法的使用程度如何，但这绝对是可能的。

如果代码的其余部分提供了证明它是安全的所需的额外不变量，也可能没问题。作为一般规则，应该怀疑使用volatile 且没有其他同步工具的多线程代码。 volatile 所做的实际规则非常具体和细致入微，但许多开发人员认为它做了它实际上并没有做的事情。 （或者更确切地说，在这种特殊情况下，它确实在他们的特定编译器上完成了它们，所以他们永远不会学习！）

【参考方案2】：

好像

while( x > y );

是spinning loop。直到x <= y 才会停止。由于x 和y 是volatile，因此可以在此例程之外更改它们。因此，一旦x <= y 变为真，x - y 将被返回。此技术用于等待某个事件。

更新

根据您添加的the gist，似乎想法是实现线程安全的无锁循环缓冲区。是的，实现不正确。比如原来的代码-sn-p是

unsigned count() const 
    while( tail > head );
    return head - tail;

即使tail 变得小于或等于head，也不能保证head - tail 返回正数。调度程序可能会在while 循环之后立即将执行切换到另一个线程，并且该线程可能会更改head 的值。无论如何，还有很多其他问题与读取和写入共享内存的工作方式（内存重新排序等）有关，所以请忽略这段代码。

【讨论】：

我猜while( x > y ); 不保证根据目标平台的推荐做法生成旋转循环。例如，IA32 有一个PAUSE 指令，出于性能原因，建议所有旋转循环都包含该指令。但我想不能保证编译器会使用给定的源发出该指令。

【参考方案3】：

其他回复已经详细指出了该指令的作用，但只是回顾一下，因为y（或链接示例中的head）被声明为volatile，对该变量进行了不同的更改一旦满足条件，线程将导致while 循环结束。

然而，尽管linked code example 很短，但它是一个近乎完美的例子，说明如何不 编写代码。

首先是一行

while( tail > head );

会浪费大量的 CPU 周期，几乎会锁定一个内核直到满足条件。

随着我们的进展，代码会变得更好。

buffer[head++ % N] = item;

感谢 JAB 指出我将 post- 与 pre-increment 弄错了。更正了影响。 由于没有locks 或mutexes，我们显然必须假设最坏的情况。在分配item 中的值之后和head++ 执行之前，线程将切换。然后 Murphy 将再次调用包含该语句的函数，在相同的 head 位置分配 item 的值。 之后head 递增。现在我们切换回第一个线程并再次增加head。所以不是

buffer[original_value_of_head+1] = item_from_thread1; 
buffer[original_value_of_head+2] = item_from_thread2;

我们结束了

buffer[original_value_of_head+1] = item_from_thread2; 
buffer[original_value_of_head+2] = whatever_was_there_previously;

你可能会在客户端用很少的线程处理这种草率的编码，但在服务器端这只能被认为是一个定时炸弹。请改用locks 或mutexes 等同步构造。

好吧，为了完整起见，这条线

while( tail > head );

在方法pop_back()应该是

while( tail >= head );

除非您希望能够弹出比实际推入多一个的元素（或者甚至在推入之前弹出一个元素）。

很抱歉，我写的内容基本上可以归结为长篇大论，但如果这只是为了防止一个人复制和粘贴该淫秽代码，那是值得的。

更新：我想我不妨举一个例子，其中while(x>y); 这样的代码实际上非常有意义。 实际上，在过去的“美好时光”中，您曾经经常看到这样的代码。 咳嗽 DOS。 虽然没有在线程的上下文中使用。主要是在无法注册中断钩子的情况下作为后备（您的孩子可能会将其翻译为“无法注册事件处理程序”）。

startAsynchronousDeviceOperation(..);

这几乎可以是任何东西，例如告诉硬盘通过 DMA 读取数据，或告诉声卡通过 DMA 记录，甚至可能调用不同处理器（如 GPU）上的函数。通常通过outb(2) 之类的方式启动。

while(byteswritten==0); // or while (status!=DONE);

如果与设备的唯一通信渠道是共享内存，那就这样吧。不过，不希望在设备驱动程序和微控制器之外看到像现在这样的代码。显然假设规范声明内存位置是最后一个写入的位置。

【讨论】：

感谢理性的声音；意图对人类来说很清楚，但编译器不是人类......

这是一个非常好的解构。谢谢你。 +1

如果线程 1 的 head++ 被评估在上下文切换和线程 2 被隐含时，线程 1 中的项目将如何最终位于线程 2 中的项目的位置不是吗？然而，一个更微妙的问题是两个线程都获得了 head 的原始值（因为没有原子变量或锁 head++ 可能需要多个操作，通常涉及在递增它之前缓存该值，然后返回缓存的值） ，从而导致一个或另一个项目最终位于第一个位置，第二个位置保留其先前的值。

当然，即使具有原子性，您最终也可以在位置 2 中使用 item 1，在位置 1 中使用 item 2，但是如果您正在编写并发数据结构，您通常必须忍受这种情况。即使使用锁也会产生这种结果。

@JAB 头部，例如 0。T1 增加头部。切换到 T2。 T2 增加头部。 T2 使用 Heads 值 2 分配值。切换到 T1。 T1 使用 head = 2 的相同值分配其项目。所以是的，这是一个非常可能的场景。显然，在任何给定操作中都不太可能，但经常重复此操作（对于服务器端的共享内存结构来说是典型的），您最终会得到损坏的数据。

【参考方案4】：

volatile 关键字旨在防止某些优化。在这种情况下，如果没有关键字，编译器可能会将您的 while 循环展开为具体的指令序列，这显然会在现实中中断，因为可以在外部修改值。

想象一下：

int i = 2;
while (i-- > 0) printf("%d", i);

大多数编译器会查看这一点并简单地生成两个对 printf 的调用 - 添加 volatile 关键字将导致它生成调用设置为 2 的计数器并在每次迭代后检查值的 CPU 指令.

例如，

volatile int i = 2;
this_function_runs_on_another_process_and_modifies_the_value(&i);
while(i-- > 0) printf("%d", i);

【讨论】：

this_function_runs_on_another_process_and_modifies_the_value(&i); 如果您正在执行多线程/多处理并且没有适当的内存围栏或其他保证顺序的方式，您需要atomic，而不是volatile（好吧，假设您关心订单；在某些情况下，轻松的订单很好）。在 C++(11) 中，编译器仍然可以对 volatile 变量的操作重新排序，只是不能删除任何加载或存储。

确实，但最初的问题是要求解释volatile - 对于任何需要同步值的实际应用程序，显然atomic 关键字是合适的。