为什么 clang 会优化轮询另一个线程写入的变量的循环？

Question

当我学习 C++ 时，我发现了一些奇怪的东西......
我认为下面的代码会产生大数的结果（至少不是 1.1）。
相反，结果是在此处输入图像描述

其他编译器按预期工作。
但是具有积极优化的 clang 编译器似乎忽略了 while 循环。
所以我的问题是，我的代码有什么问题？还是clang有意为之？

我使用了apple clang编译器(v14.0.3)

#include <iostream>
#include <thread>


static bool should_terminate = false;

void infinite_loop() {
    long double i = 1.1;
    while(!should_terminate)
        i *= i;
    std::cout << i;
}

int main() {
    std::thread(infinite_loop).detach();
    std::cout << "main thread";
    for (int i = 0 ; i < 5; i++) {
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
        std::cout << ".";
    }
    should_terminate = true;
}

来自编译器资源管理器的汇编结果（clang v16.0.0，-O3）
这似乎也跳过了 while 循环。

_Z13infinite_loopv:                     # @_Z13infinite_loopv
        sub     rsp, 24
        fld     qword ptr [rip + .LCPI0_0]
        fstp    tbyte ptr [rsp]
        mov     rdi, qword ptr [rip + _ZSt4cout@GOTPCREL]
        call    _ZNSo9_M_insertIeEERSoT_@PLT
        add     rsp, 24
        ret

Answer 1

您的代码有未定义的行为：

should_terminate不是原子对象，因此在一个线程中写入它并在另一个线程中潜在地并发（即没有任何同步）访问它是一种数据竞争，这始终是未定义的行为。

实际上，这个 UB 规则允许编译器准确地进行您在此处看到的优化。

编译器可以假设should_terminate在循环中永远不会改变，因为它不可能从另一个线程写入，因为这将是数据竞争。因此，当到达循环时，它要么是false且 保持false，以便循环永远不会终止，要么是true，在这种情况下循环体根本不执行。

然后，因为不执行任何原子/IO/易失性/同步操作的无限循环也会有 UB，所以编译器可以进一步推断，当到达循环时，它should_terminate必须（总是） 。true因此，循环体永远不会被执行，并且删除循环是允许的优化。

所以 Clang 在这里表现正确，而你的期望是错误的。should_terminate必须是std::atomic<bool>(或std::atomic_flag)，以便与其他访问不同步地写入它，这不是数据争用。