原子负载是否可以合并到C++内存模型中

Can atomic loads be merged in the C++ memory model?

本文关键字：C++ 内存 模型 合并 负载 是否      更新时间：2023-10-16

请考虑下面的C++ 11 片段。对于 GCC 和 clang，这会编译为两个(顺序一致的(foo负载。 (编者注：编译器不会优化原子学，请参阅此问答以获取更多详细信息，特别是 http://wg21.link/n4455 标准讨论，讨论这可能产生的问题，而标准没有为程序员提供解决方法。 这个语言律师问答是关于当前标准，而不是编译器所做的。

C++内存模型是否允许编译器将这两个加载合并为单个加载，并对 x 和 y 使用相同的值？

(编者注：这是标准组织正在做的事情：http://wg21.link/n4455 和 http://wg21.link/p0062。 目前的纸面标准允许不受欢迎的行为。

我认为它无法合并这些负载，因为这意味着轮询原子不再有效，但我在内存模型文档中找不到相关部分。

#include <atomic>
#include <cstdio>
std::atomic<int> foo;
int main(int argc, char **argv)
{
    int x = foo;
    int y = foo;
    printf("%d %dn", x, y);
    return 0;
}

是的，因为我们无法观察到差异！

允许实现将您的代码段转换为以下内容(伪实现(。

int __loaded_foo = foo;
int x = __loaded_foo;
int y = __loaded_foo;

原因是您无法观察到上述内容与给定顺序一致性保证的两个单独的 foo 负载之间的差异。

注意：不仅仅是编译器可以进行这样的优化，处理器可以简单地推断出没有办法观察差异并加载一次foo的值 - 即使编译器可能要求它这样做两次。

解释

给定一个不断以增量方式更新 foo 的线程，您可以保证的是，与 x 的内容相比，y将具有相同或更晚的写入值。

// thread 1 - The Writer
while (true) {
  foo += 1;
}

// thread 2 - The Reader
while (true) {
  int x = foo;
  int y = foo;
  assert (y >= x); // will never fire, unless UB (foo has reached max value)
}
想象一下，由于

某种原因，编写线程在每次迭代时暂停执行(由于上下文切换或其他实现定义的原因(;您无法证明这是导致x和y具有相同值的原因，或者是否是因为"合并优化"。

换句话说，我们必须给定本节中的代码的潜在结果：

  1. 在两次读取之间没有向 foo 写入新值 ( x == y (。
  2. 在两个读取(x < y(之间写入一个新值到foo。

由于两者中的任何一个都可能发生，因此实现可以自由地缩小范围，以始终执行其中之一;我们绝不能观察到其中的区别。

《标准》怎么说？

实现可以进行它想要的任何更改，只要我们看不到我们表达的行为与执行期间的行为之间的任何差异。

这在[intro.execution]p1中有所介绍：

本标准中的语义描述定义了 参数化非确定性抽象机。这个国际 标准对符合性结构没有要求 实现。特别是，他们不需要复制或模仿 抽象机器的结构。相反，符合实现 需要(仅(模拟抽象的可观察行为 机器如下所述。

另一部分使其更加清晰[intro.execution]p5：

执行格式良好的程序的符合实现应 产生与其中一个可能的执行相同的可观察行为 具有相同功能的抽象机器的相应实例 程序和相同的输入。

延伸阅读：

  • 究竟什么是"假设"规则"？

循环轮询呢？

// initial state
std::atomic<int> foo = 0;

// thread 1
while (true) {
  if (foo)
    break;
}

// thread 2
foo = 1

问题：鉴于前面部分中的推理，实现是否可以简单地在线程 1 中读取一次foo，然后即使线程 2 写入foo也永远不会脱离循环？

答案;不。

在顺序一致的环境中，我们保证线程 2 中对 foo 的写入将在线程 1 中可见;这意味着当写入发生时，线程 1 必须观察这种状态变化。

注意：实现可以将两个读取转换为单个读取，因为我们无法观察到差异(一个栅栏与两个栅栏一样有效(，但它不能完全忽略本身存在的读取。

注意：本节的内容由 [atomics.order]p3-4 保证。

如果我真的想阻止这种形式的"优化"怎么办？

如果你想强制实现在你编写它的每个点实际读取某个变量的值，你应该研究volatile的用法(请注意，这绝不会增强线程安全性(。

但在实践中，编译器不会优化原子学，标准组织建议不要出于这种原因使用volatile atomic，直到这个问题尘埃落定。 看

  • http://wg21.link/n4455
  • http://wg21.link/p0062
  • 为什么编译器不合并冗余的 std：：atomic writes？
  • 以及这个问题的副本，编译器可以并且是否优化了两个原子负载？

是的，在您的特定示例中(没有其他方法(。

您的特定示例具有单个执行线程，foo具有静态存储持续时间和初始化(即，在输入main之前(，否则在程序的生命周期内永远不会修改。
换句话说，没有外部可观察到的差异，并且可以合法地应用原样规则。事实上，编译器可以完全取消原子指令。x或y的价值不可能有任何不同。

在修改foo的并发程序中，情况并非如此。

您没有指定内存模型，因此使用默认模型，即顺序一致性。顺序一致性定义为提供与释放/获取相同的发生前/内存排序保证，并建立所有原子操作的单个总修改顺序。最后一点是重要的部分。

单个总修改顺序意味着，如果你有三个(原子(操作，例如 A、B 和 C，它们按该顺序发生(可能同时发生在两个线程中(，并且 B 是写入操作，而 A 和 C 是读取操作，那么 C 必须看到 B 建立的状态，而不是其他一些早期状态。也就是说，在点 A 和 C 处看到的值将不同。

就代码示例而言，如果另一个线程在您将其读入x之后(但在将值读入y之前(立即修改foo，则放入y的值必须是写入的值。因为如果操作按该顺序发生，则也必须按该顺序实现。

当然，恰好在两个连续加载指令之间发生的写入是一件不太可能的事情(因为时间窗口非常小，只是一个刻度(，但是否不太可能并不重要。
编译器必须生成代码，以确保如果出现此星座，操作仍会完全按照其发生的顺序查看。

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