C++:std :: atomic <bool>和volatile bool

Question

我只是在阅读Anthony Williams的行动书中的C++并发性.有这个经典的例子有两个线程,一个产生数据,另一个消耗数据,AW写的代码很清楚:

std::vector<int> data;
std::atomic<bool> data_ready(false);

void reader_thread()
{
    while(!data_ready.load())
    {
        std::this_thread::sleep(std::milliseconds(1));
    }
    std::cout << "The answer=" << data[0] << "\n";
}

void writer_thread()
{
    data.push_back(42);
    data_ready = true;
}

我真的不明白为什么这个代码与我使用经典的挥发性bool而不是原子的不同.如果有人能够对这个问题敞开心扉,我将不胜感激.谢谢.

Answer 1

最大的区别是这段代码是正确的,而版本bool代替atomic<bool>具有未定义的行为.

这两行代码创建了一个竞争条件(正式地说是冲突),因为它们读取和写入同一个变量:

读者

while (!data_ready)

和作家

data_ready = true;

根据C++ 11内存模型,正常变量的竞争条件会导致未定义的行为.

规则见本标准第1.10节,最相关的是:

如果有两个动作可能是并发的

• 它们由不同的线程执行,或者
• 它们没有排序,至少有一个是由信号处理程序执行的.

程序的执行包含数据竞争,如果它包含两个可能同时发生冲突的动作,其中至少有一个不是原子的,并且除了下面描述的信号处理程序的特殊情况之外,它们都不会发生在另一个之前.任何此类数据争用都会导致未定义的行为.

您可以看到变量是否atomic<bool>对此规则产生了很大的影响.

Answer 2

bool正如你所说的那样,"经典" 不会可靠地工作(如果有的话).这样做的一个原因是编译器可以(并且很可能,至少在启用了优化的情况下)data_ready从内存加载一次,因为没有迹象表明它在上下文中发生了变化reader_thread.

您可以通过使用volatile bool每次强制加载它来解决此问题(这似乎可能有效)但是这仍然是关于C++标准的未定义行为,因为对变量的访问既不是同步的也不是原子的.

您可以使用互斥锁头中的锁定工具强制执行同步,但这会(在您的示例中)引入不必要的开销(因此std::atomic).

问题volatile是它只保证不会省略指令并保留指令顺序.volatile 不保证内存屏障可以强制执行缓存一致性.这意味着writer_thread处理器A可以在没有reader_thread处理器B看到它的情况下将值写入其缓存(甚至可能写入主存储器),因为处理器B的缓存与处理器A的缓存不一致.详细解释请参阅维基百科上的内存障碍和缓存一致性.

然后可能存在更多"复杂"表达式的其他问题x = y(即x += y)需要通过锁定(或在这种简单情况下是原子+=)同步以确保x在处理期间值不会改变.

x += y 例如实际上是:

• 读 x
• 计算 x + y
• 把结果写回去 x

如果在计算过程中发生了上下文切换到另一个线程,这可能导致类似这样的事情(2个线程,两者都在做x += 2;假设x = 0):

Thread A                 Thread B
------------------------ ------------------------
read x (0)
compute x (0) + 2
                 <context switch>
                         read x (0)
                         compute x (0) + 2
                         write x (2)
                 <context switch>
write x (2)

现在x = 2即使有两个+= 2计算.这种效应被称为撕裂.

Answer 3

Ben Voigt 的答案是完全正确的，但仍然有点理论化，当一位同事问我“这对我意味着什么”时，我决定用更实际的答案碰碰运气。

对于您的示例，可能发生的“最简单”优化问题如下：

根据该标准，优化的执行顺序可能不会改变程序的功能。问题是，这只适用于单线程程序或多线程程序中的单线程。

因此，对于 writer_thread 和（易失性）布尔值

data.push_back(42);
data_ready = true;

和

data_ready = true;
data.push_back(42);

是等价的。

结果是，

std::cout << "The answer=" << data[0] << "\n";

可以在不将任何值压入数据的情况下执行。

原子 bool 确实会阻止这种优化，根据定义，它可能不会被重新排序。原子操作有一些标志，允许语句移动到操作前面，但不能移动到后面，反之亦然，但这些需要对编程结构及其可能导致的问题有非常深入的了解......