C++ 多线程环境中的内存访问

Posted 2023-02-17

【中文标题】C++ 多线程环境中的内存访问

【英文标题】：Memory access in C++ multithreading environment

【发布时间】：2017-07-20 02:31:19

【问题描述】：

我有一个问题，即主线程中的函数被阻塞，直到在另一个线程中设置了局部变量。我用信号量来阻塞主线程执行：

int sendRequest(Message request, void *data)

semaphore waitForReply;
volatile int result = 0;
volatile int retData[100];
client->sendRequest(request, [&result, &retData](const Message& reply) // Callback is called from a different thread
   result = reply.result;
   memcpy(retData, reply.retData, sizeof(retData));
   waitForReply.signal();
)
waitForReply.wait();
//At this line we want result var to be updated.
memcpy(data, retData, sizeof(retData));
return result;

问题是使用 volatile int result 是否保证返回结果是从回调接收到的实际值？这是解决此问题的最佳方法还是使用普通变量和互斥锁更好？

数组 retData 的情况如何？ （请不要介意数组的大小）

【问题讨论】：

不，volatile in 是不够的。

相关：What's the difference of the usage of volatile between C/C++ and C#/Java?

谢谢，你知道如何解决这个问题吗？

您的代码在我看来是正确的。 volatile 没有做任何有用的事情，你应该删除它。您的回调仅在数据被复制出来后才会发出信号量，因此您可以保证在wait() 返回后获得正确的数据。或者，换句话说，不是volatile 保证了这里的正确行为。保证来自signal() 在数据复制后被调用，wait() 将阻塞并等待该信号。

@NikosC。这是我不确定的事情，如果我错了，请纠正我。如果当result = reply.result;时，result的新值还没有写入内存而是缓存在寄存器的某个地方，那么返回的结果（return result;）是旧值怎么办？

【参考方案1】：

Volatile 在 C 或 C++ 中对于多线程代码没有用处，因为它不会创建内存屏障。但是，您的代码中没有任何内容需要内存屏障，所以您已经可以了。

错误代码的一个例子是：

// initially
my_pointer = nullptr;
ready_flag = false;

// thread 1
my_pointer = some_pointer_here;
ready_flag = true;

// thread 2
while (!ready_flag) /* wait */;
my_pointer->foo = bar;

这段代码很危险，因为很多事情都可以使ready_flag 的写入在my_pointer 的写入之前变得可见，即使它在源代码中出现在第二位。在这种情况下，您可以在分配值之前访问my_pointer。

内存屏障是一条指令，它强制执行特定顺序以使内存写入可见。例如，该代码在写入my_pointer 和写入ready_flag 之间需要一个内存屏障。 C++ 标准库为此提供了std::atomic_thread_fence。此外，std::atomic 类型都可以生成内存屏障。

在您的情况下，您的变量没有相互依赖关系（除了整个操作必须已完成），而且信号量的 wait 方法几乎肯定有障碍。

在内核/CPU 之间实现缓存和内存一致性的确切方法取决于平台。 AFAIK，在 x86 和 ARM 衍生产品上，您根本不需要做任何事情。在更疯狂的平台上，这通常由内存栅栏来处理，无论如何你都会使用它。

【讨论】：

感谢您的回答，“信号量等待方法保证内存屏障”解决了我的问题。

【参考方案2】：

结果缓冲区中的数据是好的。在 lambda 中对 memcpy 的调用可确保在信号量 waitForSignal 发出信号之前完整复制数据。但是……

不，在这种情况下，volatile 关键字没有任何作用。 memcpy 不受 volatile 关键字的影响。 volatile 只影响代码的优化方式。 为什么不捕获data 并让lambda 直接填充该缓冲区？这样可以保存一份副本。 我没有看到任何说明输出缓冲区大小的参数data。这不是很好的做法。我建议您考虑使用 std::vector 或其他一些安全的方式来实现缓冲区。

【讨论】：

我希望当代码经过这一行时（//在这一行我们要更新result var。），更新data[]和result的值。如果我捕获数据并对其进行 memcpy 操作，是否会在函数返回时 data[] 的值尚未更新？如果 volatile 无法保证这一点，可以采取什么措施来实现上述预期结果？请不要介意尺寸 (3)，这只是一个示例。