具有相同值的并行写入

Parallel writes of a same value

本文关键字：并行      更新时间：2023-10-16

我有一个程序，它产生了多个线程，这些线程可以将完全相同的值写入完全相同的内存位置：

std::vector<int> vec(32, 1); // Initialize vec with 32 times 1
std::vector<std::thread> threads;
for (int i = 0 ; i < 8 ; ++i) {
    threads.emplace_back([&vec]() {
        for (std::size_t j = 0 ; j < vec.size() ; ++j) {
            vec[j] = 0;
        }
    });
}
for (auto& thrd: threads) {
    thrd.join();
}

在这个简化的代码中，所有线程都可以尝试将完全相同的值写入vec中的相同内存位置。这是一场可能触发未定义行为的数据竞赛吗？还是安全的，因为在所有线程再次连接之前，永远不会读取值？

如果存在潜在的危险数据竞争，使用std::vector<std::atomic<int>>代替std::memory_order_relaxed存储是否足以防止数据竞争？

语言律师回答，[interro.multithread]n3485

21程序的执行包含数据竞赛，如果它在不同的线程中包含两个冲突的操作，其中至少有一个不是原子的，也没有发生在另一个之前。任何此类数据竞赛都会导致未定义的行为。

4两个表达式求值冲突如果其中一个修改内存位置，另一个修改访问或修改相同的存储器位置。

将std::vector<std::atomic<int>>与std::memory_order_relaxed存储一起使用是否足以防止数据竞争？

是的。这些访问是原子访问，在通过线程连接引入关系之前，会发生。从生成这些工作线程（通过.join同步）的线程中进行的任何后续读取都是安全和定义的。

这是一场数据竞赛，编译器最终会变得足够聪明，如果他们还没有对代码进行错误编译的话。请参阅第2.4节"如何对具有"良性"数据竞争的程序进行错误编译"，了解相同值的写入会破坏代码的原因。

实现细节答案：

虽然语言标准将其归类为未定义的行为，但只要你真的在写相同的数据，你就可以感到非常安全。

为什么？硬件将对同一存储单元的访问顺序化。唯一可能出错的是同时写入多个存储单元，因为硬件无法保证对多个单元的访问以相同的方式顺序化。例如，如果一个进程写入0x0000000000000000，而另一个进程则写入0xffffffffffffffff，则硬件可能会决定以不同的方式对不同字节的访问进行顺序化，从而产生类似0x00000000ffffffff的结果。

然而，如果两个进程写入的数据相同，那么两种可能的序列化之间没有明显的差异，结果是确定的。

现代硬件不以逐字节的方式处理内存访问，相反，CPU通过缓存线与主内存通信，内核通常可以通过8字节字与缓存通信。因此，设置一个正确对齐的指针是一个原子操作，可以依靠它来实现无锁定算法。在更强大的原子操作可用之前，Linux内核就已经利用了这一点。C++将其形式化为atomic<>类型，增加了对更高级硬件功能的支持，如读后写、原子增量等。

但是，当然，如果你依赖你的硬件细节，你真的应该在做之前知道你在做什么。否则，坚持使用atomic<>类型等语言功能，以确保正确的操作并避免UB。

@落选者：

问题是而不是标记的[语言律师]，答案明确表示"实现细节答案"。这是有意解释UB在节目中会是什么样子在现实生活中。写这个答案是为了用不同的观点来补充公认的答案（我投了赞成票）。

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