我在哪里设置内存屏障以便条件循环观察多线程值的变化？

Posted 2023-02-22

【中文标题】我在哪里设置内存屏障以便条件循环观察多线程值的变化？

【英文标题】：Where do I set memory barriers so that conditional loops observe multithread value changes?

【发布时间】：2021-09-02 13:24:46

【问题描述】：

假设一个线程无限期地运行，直到它的成员变量 stop 被设置。喜欢

while (!stop) 
  // do something

我想防止它变成这样

if (!stop) 
  while (true) 
  
  

那么我应该在哪里设置内存屏障/栅栏以使这种优化无法执行？ 此外，这样的栅栏是否足以确保在下一次迭代中可以看到从另一个线程对true 的更改？

【问题讨论】：

stop 应该是 std::atomic。这样，编译器将插入必要的障碍。否则，程序会通过数据竞争表现出未定义的行为。

@IgorTandetnik，是的，但从技术上讲，原子会在变量访问之前或之后放置内存屏障。我认为内存屏障意味着编译器无法在之前和/或之后重新排序访问。但是在stop 上只有那篇文章。因此，从技术上讲，它甚至没有针对任何其他内存访问进行重新排序

@IgorTandetnik 可以在没有原子的情况下使用 std::atomic_thread_fence 或条件变量来完成，但是是的，原子应该是最简单且不易出错的方式。

@Regyn "原子是否会在变量访问之前或之后放置内存屏障" 它将按和内存访问的顺序排列。访问本身就像一个内存栅栏。

@DrewDormann 所以内存栅栏在例如atomic 会强制编译器不对读取进行重新排序，因此只执行一次？

【参考方案1】：

那么我应该在哪里设置内存屏障/栅栏以使这种优化无法执行？

memory barrier/fence 限制了memory ordering，从而防止编译器重新排序同一线程中的两个或多个内存访问。但是，这里的内存排序不是问题，因为您只是在谈论每个线程的单个内存访问。

相反，您说的是来自两个不同线程对同一变量的两个内存操作。因此，这是thread synchronization 的问题，而不是内存排序问题。

根据§6.9.2.2 ¶21 of the ISO C++20 standard，如果两个线程在没有同步操作（例如互斥锁）的情况下访问同一个变量，并且如果这些内存访问不是

都是原子的，或者 都是只读的，

那么这会导致未定义的行为。

因此，对于您的 while 循环

while (!stop) 
  // do something

假设stop是一个非原子数据类型，编译器可以假设变量stop在循环运行时永远不会被另一个线程修改（除非你碰巧在里面有同步操作循环），因为这样做会导致未定义的行为（这意味着编译器将被允许做任何事情）。

因此，一个好的优化编译器会有效地将代码更改为以下内容：

if (!stop) 
  while (true)   
    // do something
  

但是，如果将变量stop 更改为原子数据类型，例如std::atomic_flag 或std::atomic<bool>，那么多个线程同时访问该变量并不是未定义的行为。在这种情况下，编译器将不允许假设stop不会被另一个线程修改，从而不允许执行上述优化。

【讨论】：

我想知道的是：atomic bool 的构造是什么来表明发生了可能会修改变量并因此阻止优化的事情。编译器是否检查原子并识别它有这样的副作用？

@Regyn：当变量是原子的时，编译器会意识到这一点，并将对该变量的所有读写操作进行原子操作。编译器知道原子变量可以随时被不同的线程修改。因此，编译器知道不允许优化对原子变量的读取或写入。无需明确告诉编译器原子变量可能被不同的线程修改。通过将变量声明为原子变量（即使用std::atomic_flag 或std::atomic）已经暗示了这一点。

【参考方案2】：

很短，在cmets中已经讲过了，但答案是：

std::atomic<bool> stop;

让编译器处理栅栏。

【讨论】：

是的。内存栅栏对您的应用程序来说太多或太少，因此它会不必要地损害性能而不保证您需要的行为。它太少了，因为它没有可见性保证。这太过分了，因为它对所有其他内存访问施加了排序限制。

【参考方案3】：

正如已经回答的那样，一个简单的：

std::atomic<bool> stop;

足够了，就像operations on atomic variables are ordered in a sequentially-consistent manner。

但是，释放语义可以用于存储并在加载时获取语义以达到类似的效果：

bool side_effects = false;
std::atomic<bool> stop = false;

std::thread do_stop(
    [&]
    
        side_effects = true;
        stop.store(true, std::memory_order_release);
    );

while(!stop.load(std::memory_order_acquire))



// Any side effect ordered before the release store is necessarily
// visible after such store is sensed by the acquire load.
assert((side_effects));

do_stop.join();

看live。