竞争条件和解锁写入

Posted 2023-03-15

【中文标题】竞争条件和解锁写入

【英文标题】：Race condition and unlocked write

【发布时间】：2012-04-17 09:40:41

【问题描述】：

我有一个关于竞争条件和同时写入的问题。

我有一个从不同线程访问对象的类。我想仅按需计算一些值并缓存结果。出于性能原因，我宁愿不使用锁（在有人问之前 - 是的，这与我的情况有关）。

这构成了竞争条件。但是，对象是 const 并且不会更改。因此，如果不同的线程计算要缓存的值，它们在我的用例中保证是相同的。在不锁定的情况下写入这些值是否安全？或者，更广泛地说，从不同线程将相同内容写入内存而不加锁是否安全？

写入的值是 bool 和 double 类型，所讨论的架构可能是 x86 和 ARM。

编辑：感谢大家的意见。我终于决定找到一种不涉及缓存的方法。这种方法看起来确实很像“hack”，并且使用标志变量存在问题。

【问题讨论】：

我怀疑 C++ 能保证这一点，但至少对于现代硬件来说，很难想象会出现什么问题。

对原语的每个写入操作都是原子的，因此如果多个线程同时写入同一组字段，这应该不会有什么不同。

“所以如果不同的线程计算要缓存的值，它们在我的用例中保证是相同的”......这很奇怪。如果可以保证写入的值是相同的，为什么要同时写入呢？或者更好，为什么要多次编写它们？

@Paul Michalik：它们是经过计算的，因此是按需写入（存储）的。因为需求可能发生在不同的线程中，所以只写一次锁定是必需的。

我明白了。因此，然后使用一个条件变量来表示是否已经计算了一个数据。这可以使用互锁的“CompareExchange”在某种自旋锁内部进行原子操作，但是这是为您选择的平台实现的。我认为这是您可以获得的最小同步开销......

【参考方案1】：

如果值相同，则无需防止从不同线程写入 POD 变量。但是，如果您有指针，则绝对应该进行互锁交换。

更新：澄清一下，对于您的情况，缓存和优化不会产生任何不利影响，因为您在所有线程上写入完全相同的值。出于同样的原因，您不需要创建变量volatile。唯一可能成为问题的事情是，如果您的变量未与机器的字长对齐。有关详细信息，请参阅https://***.com/a/54242/677131。默认情况下，变量会自动对齐，但您可以显式更改对齐方式。

有一种替代方法可以完全避免这个问题。由于变量将具有相同的值，要么在并发执行开始之前预先计算它们，要么让每个线程都有自己的副本。后者的优势在于在 NUMA 机器上提供更好的性能。

【参考方案2】：

首先我必须说，使用锁定通常是正确的做法，但是...

即使数据大于处理器字长，从多个线程写入同一个变量也不会是不安全的。不存在变量可能被破坏的过渡状态，因为至少有一个线程将完成写入值。其他线程不会通过扭曲相同的值来更改它。

因此，如果保证无论哪个线程的计算结果总是相同的，那么多线程这样做是没有危险的。在进行计算之前只需检查一个标志（“已经计算了吗？”）。多个线程将进入值计算代码，但一旦完成，当然没有其他线程会再这样做了。显然，做同样的事情 n 次是浪费时间。这里的问题是，使用锁会节省您的任何时间还是相反？只有性能测试才能给你答案。除非有其他原因不使用锁。

【参考方案3】：

正如你所说，这是一个竞争条件。在 C++11 下，它在技术上是一个数据竞赛，并且是未定义的行为。值是否相同并不重要。

如果您的编译器支持它（例如，最近的 gcc、gcc 或 MSVC 与我的 Just::Thread 库），那么您可以使用 std::atomic<some_pod_struct> 为您的数据提供一个原子包装器（假设它 是一个 POD 结构 --- 如果不是，那么你有更大的问题）。如果它足够小，那么编译器将使其无锁，并使用适当的原子操作。对于较大的结构，库将使用锁。

在没有原子操作或锁的情况下这样做的问题是可见性。虽然在 x86 或 ARM 上的处理器级别上从多个线程/处理器将相同的数据（假设它确实是逐字节相同）写入同一内​​存没有问题，但鉴于这是一个缓存，我希望如果它已经被写入，你会想要读取这些数据而不是重新计算它。因此，您需要某种标志来指示完成情况。除非您使用原子操作、锁或合适的内存屏障指令，否则“就绪”标志可能对另一个处理器可见在数据之前。这会真的搞砸了，因为第二个处理器现在读取了一组不完整的数据。

您可以使用非原子操作写入数据，然后为标志使用原子数据类型。在 C++11 下，这将生成合适的内存屏障和同步，以确保数据对任何看到标志集的线程都是可见的。两个线程写入数据仍然是未定义的行为，但在实践中可能没问题。

或者，将数据存储在由执行计算的每个线程分配的堆内存块中，并使用比较和交换操作来设置原子指针变量。如果比较和交换失败，那么另一个线程首先到达那里，所以释放数据。

【讨论】：

被选为指出标志变量问题和需要内存屏障的最佳答案。

@Anthony，+1 表示 C++ 中数据竞争的技术意义与竞争条件的一般概念。 C++ 仅指定什么是数据竞争以及发生时的 UB。因此，如果共享变量是 C++11 原子类型，则可以保证没有数据竞争，即使标记为 w/ memory_order_relaxed ordering。该标准没有提到一般的竞争条件概念，也没有说发生这种情况时存在 UB。它完全取决于程序员添加适当的同步原语以确保正确的语义。你同意吗？

@Anthony，还有一些人认为，即使共享数据是原子类型且排序松散，C++11 中仍然存在数据竞争。我很难向他们解释这些概念（在语言和您的书中正确定义）。您能否看看this post 并与我们分享您的意见？谢谢。

【参考方案4】：

最终答案可能取决于您的数据结构。

在“非便携”领域，您可能想查看compare and swap，大多数处理器允许您在指针大小的实体上执行此操作。要访问它，您可以使用内联汇编（在 x86 上，这些是 lock cmpxchg 指令），或者可能是 GCC 同步扩展。在看到未初始化的值时，每个线程都可以急切地初始化，并发出比较和交换以尝试设置值。如果比较和交换失败，则意味着另一个线程已经击败了您。

不过，该操作的最终使用通常等同于实现自旋锁，您可能希望避免这种情况......

【讨论】：

部分数据结构将是（32 位）ARM 上的 8 字节双精度，因此它们大于“指针大小的实体”。所以这不是一个选择。

@GabrielSchreiber - 这并不意味着它不是一个选项。例如，您可以初始化指向结构的指针而不是结构本身。或者你可以有一个“伴随”词，它基本上用作初始化的锁——以确定它是否之前被初始化过。但是，如果它们依赖于一次编写多个单词，我通常会鼓励您小心地将其称为“原子”。

@GabrielSchreiber - 我必须强调，如果您希望读取-修改-写入操作是原子的，比较和交换（或特定于平台的等效项；“加载链接/存储条件”作为 RISC 版本）几乎是唯一的出路。