编译器在多线程程序中使用寄存器

Question

这是一个普遍的问题，但是：

在多线程程序中，编译器使用寄存器临时存储全局变量是否安全？

我认为不是，因为在寄存器中存储全局变量可能会改变保存的值 对于其他线程。

如何使用寄存器来存储函数中定义的局部变量？

我认为没关系，因为没有其他线程可以获取这些变量。

如果我错了，请纠正我。 谢谢！

Answer 1

事情比你想象的要复杂得多。

即使编译器将值存储到内存中，CPU通常也不会立即将数据推送到RAM。它将它存储在缓存中（某些系统在处理器和内存之间有2或3级缓存）。

更糟糕的是，编译器决定的指令顺序可能不是实际执行的顺序，因为许多处理器可以在自己的管道中重新排序指令（甚至是指令的子部分）。

一般情况下，在多线程环境中，除非满足下列条件之一，否则您应该小心从不从两个单独的线程访问（读取或写入）相同的内存：

• 您正在使用几种确保正确同步的特殊原子操作之一。
• 您已使用多个同步操作之一来“保留”对共享数据的访问权限，然后“放弃”它。这些确实包括所需的内存障碍，这些障碍也可以保证数据符合预期。

您可能需要阅读http://en.wikipedia.org/wiki/Memory_ordering#Memory_barrier_types和http://en.wikipedia.org/wiki/Memory_barrier

如果你已经准备好有点头痛并且想看看事情有多复杂，那么这是你的晚间讲座Memory Barriers: a Hardware View for Software Hackers。

Answer 2

'安全'并不是真正合适的词汇。许多更高级别的语言（例如C）没有线程模型，因此语言规范没有提及多线程交互。

如果您没有使用任何类型的锁定原语，那么您无法保证不同线程如何交互。因此编译器有权使用寄存器来处理全局变量。

即使您正在使用锁定，行为仍然可能很棘手：如果您读取变量，然后获取锁定然后再次读取变量，编译器仍然无法知道是否必须再次从内存中读取变量，或者可以使用它存储在寄存器中的早期值。

在C / C ++中，将变量声明为volatile会强制编译器始终从内存重新加载变量并解决此特定实例。

在大多数系统上还有'Interlocked *'原语，它们保证了原子性语义，可以用来确保某些操作是线程安全的。锁定原语通常建立在这些低级操作上。

Answer 3

在多线程程序中，您有以下两种情况之一：如果它在单处理器（单核，单CPU）上运行，那么在线程之间切换就像处理进程之间的切换一样（尽管从线程开始并没有那么多工作）在同一虚拟内存空间中运行） - 在转换到另一个线程期间保存一个线程的所有寄存器，因此无论出于何种目的使用寄存器都可以。这是OS使用的上下文切换例程的作用，并且寄存器集被视为线程（或进程）上下文的一部分。如果你有一个多处理器系统 - 在一个CPU上有多个CPU或多个内核 - 每个处理器都有自己独特的寄存器组，那么再次使用寄存器来存储东西也很好。当然，最重要的是，特定CPU上的上下文切换将在切换到新线程/进程之前保存旧线程/进程的寄存器，因此保留所有内容。

也就是说，在某些体系结构和/或某些操作系统上，可能存在特定的例外情况，因为某些寄存器由ABI保留用于操作系统或提供操作系统接口的库的特定用途，但是你的编译器通常都有你内置平台的那种知识。但是，你需要知道它们，如果你正在进行内联汇编或某些其他“低级”事情......