为什么需要原子 bool 来避免数据竞争？

Question

我正在查看Antony Williams 的 C++ Concurrency in Action 中的列表 5.13：，我对“存储和加载y仍然必须是原子的；否则，将会出现数据竞争y”的评论感到困惑。这意味着如果y是一个普通（非原子）布尔值，那么断言可能会触发，但为什么呢？

#include <atomic>
#include <thread>
#include <assert.h>
bool x=false; 
std::atomic<bool> y;
std::atomic<int> z;

void write_x_then_y()
{
 x=true; 
 std::atomic_thread_fence(std::memory_order_release);
 y.store(true,std::memory_order_relaxed); 
}

void read_y_then_x()
{
 while(!y.load(std::memory_order_relaxed)); 
 std::atomic_thread_fence(std::memory_order_acquire);
 if(x) ++z;
}

int main()
{
 x=false;
 y=false;
 z=0;
 std::thread a(write_x_then_y);
 std::thread b(read_y_then_x);
 a.join();
 b.join();
 assert(z.load()!=0); 
}

现在让我们更改y为普通布尔值，我想了解为什么断言可以触发。

#include <atomic>
#include <thread>
#include <assert.h>
bool x=false; 
bool y=false;
std::atomic<int> z;

void write_x_then_y()
{
 x=true; 
 std::atomic_thread_fence(std::memory_order_release);
 y=true;
}

void read_y_then_x()
{
 while(!y); 
 std::atomic_thread_fence(std::memory_order_acquire);
 if(x) ++z;
}

int main()
{
 x=false;
 y=false;
 z=0;
 std::thread a(write_x_then_y);
 std::thread b(read_y_then_x);
 a.join();
 b.join();
 assert(z.load()!=0); 
}

我知道数据竞争发生在非原子全局变量上，但在这个例子中，如果 while 循环退出read_y_then_x，我的理解是y必须已经设置为 true，或者正在设置为 true 的过程中（因为它是write_x_then_y线程中的非原子操作）。由于atomic_thread_fence在write_x_then_y线程中确保上面编写的代码没有可以在之后重新排序，因此我认为该x=true操作一定已经完成。另外，两个线程中的std::memory_order_release和std::memory_order_acquire标签确保 的更新值在读取 时x已与线程同步，所以我觉得断言仍然有效......我错过了什么？read_y_then_xx

Answer 1

在不同步的两个线程中访问非原子对象（其中一个访问是写访问）始终是一种数据竞争，并会导致未定义的行为。这就是术语“数据竞争”在 C++ 语言中的正式定义及其后果。它不仅仅是一种竞争条件，非正式地指由于某些线程访问的未指定顺序而允许多种可能的结果。

写入y=true;发生在循环while(!y);仍在读取时，如果是非原子的，y则这会导致数据竞争。y该程序将具有未定义的行为，这不仅仅意味着可能assert会触发。这意味着程序可能会执行任何操作，例如崩溃或冻结。

编译器可以在这种情况永远不会发生的假设下进行优化，从而以不保留预期行为的方式优化代码，因为它依赖于导致数据争用的访问。

此外，最终不执行任何原子/同步/易失性/IO 操作的无限循环也具有未定义的行为。如果不是原子，则while(!y);具有未定义的行为，并且最初编译器可以假设该行在这些条件下无法访问。yfalse

例如，编译器可以出于这个原因从函数中删除循环，就像当前编译器实际发生的那样，请参阅问题下的注释。

而且我还知道，特别是 Clang 确实会基于此执行优化，有时甚至会完全删除ret具有这样一个无限循环的发出函数中的所有内容（包括最后的指令！），如果它永远无法实现的话被调用时没有未定义的行为。然而在这里，因为y可能是true在调用函数时，在这种情况下没有未定义的行为，所以这种情况不会发生。

所有这些都是在语言层面上的。如果程序是以最直译的方式编译的，那么硬件级别上会发生什么并不重要。这些将是额外的问题，例如，潜在的写访问撕裂和线程之间潜在的缓存不一致，但这两者在bool. 另一个问题可能是线程可以在寄存器中保留变量的副本，可能永远不会生成其他线程可以观察到的存储，这对于非非对象是允许atomic的volatile。

Answer 2

如果你这样写：

bool y=false;
...
while(!y); 

那么编译器可以假设y它本身不会改变。的主体while是空的，所以要么y在开始时为 true 并且有一个无限循环，要么y在开始时为 false 并且while结束时为 false。

编译器可以将其优化为：

if (!y) while(true);

但c++也说必须总是有进展，无限循环是UB，所以编译器可以在看到 a 时做任何它喜欢的事情while(true);，包括删除它。gcc 和 clang 实际上会做到这一点，正如 Jerome 在这里指出的： https: //godbolt.org/z/ocrxnee8T

所以它std::atomic<bool> y;所做的是标记为易失性的现代形式y。编译器不能再假设重复读取会y给出相同的结果，并且不能再优化while(!y);循环。

根据体系结构，它还会插入必要的内存屏障，以便其他线程可以观察到变量的更改，这比 易失性要多。