Question

我正在阅读Anthony Williams的行动书中的C ++并发。有这个经典的例子有两个线程，一个产生数据，另一个消耗数据和A.W.写了那段代码非常清楚：

std::vector<int> data;
std::atomic<bool> data_ready(false);

void reader_thread()
{
    while(!data_ready.load())
    {
        std::this_thread::sleep(std::milliseconds(1));
    }
    std::cout << "The answer=" << data[0] << "\n";
}

void writer_thread()
{
    data.push_back(42);
    data_ready = true;
}

而且我真的不明白为什么这个代码与我使用经典的挥发性bool而不是原子的bool不同。如果有人能够对这个问题敞开心扉，我会感激不尽。感谢。

Answer 1

最大的区别在于此代码是正确的，而bool而不是atomic<bool>的版本具有未定义的行为。

这两行代码会创建竞争条件（正式地说，冲突），因为它们读取和写入同一个变量：

阅读器

while (!data_ready)

作家

data_ready = true;

根据C ++ 11内存模型，正常变量的竞争条件会导致未定义的行为。

规则见本标准第1.10节，最相关的是：

如果
，两个动作可能会并发

它们由不同的线程执行，或

它们没有排序，至少有一个是由信号处理程序执行的。


程序的执行包含数据竞争，如果它包含两个可能同时发生冲突的动作，其中至少有一个不是原子的，并且除了下面描述的信号处理程序的特殊情况之外，它们都不会发生在另一个之前。任何此类数据争用都会导致未定义的行为。

您可以看到变量是否为atomic<bool>对此规则产生了很大的影响。

Answer 2

A＆＃34;经典＆＃34;正如你所说，bool无法可靠地运作（如果有的话）。这样做的一个原因是编译器可能（并且很可能，至少在启用了优化的情况下）仅从内存加载data_ready，因为没有迹象表明它在reader_thread的上下文中发生了变化

你可以通过使用volatile bool强制每次加载它来解决这个问题（这看起来似乎有效）但是这仍然是关于C ++标准的未定义行为，因为对变量的访问既不是同步的也不是原子的。

您可以使用mutex header中的锁定工具强制执行同步，但这会（在您的示例中）引入不必要的开销（因此std::atomic）。

volatile的问题在于它只保证不会省略指令并保留指令顺序。 volatile 不保证内存屏障以强制执行缓存一致性。这意味着处理器A上的writer_thread可以将值写入其缓存（甚至可能是主存储器）而处理器B上没有reader_thread看到它，因为处理器的缓存B与处理器A的缓存不一致。有关更详细的说明，请参阅维基百科上的memory barrier和cache coherence。

更多＆＃34;复杂＆＃34;可能会有其他问题。表达式然后x = y（即x += y）需要通过锁同步（或在这个简单的情况下是原子+=），以确保x的值不会在期间发生变化处理

例如

x += y实际上是：

阅读x
compute x + y
将结果写回x

如果在计算过程中发生了上下文切换到另一个线程，这可能导致类似这样的事情（2个线程，都执行x += 2;假设x = 0）：

Thread A                 Thread B
------------------------ ------------------------
read x (0)
compute x (0) + 2
                 <context switch>
                         read x (0)
                         compute x (0) + 2
                         write x (2)
                 <context switch>
write x (2)

现在x = 2即使有两个+= 2次计算。此效果称为撕裂。

Answer 3

Ben Voigt的回答是完全正确的，仍然有点理论化，并且我已经被一位同事问过了，这对我来说意味着什么＆＃34;我决定尝试一下运气好一点实际答案。

使用您的样本，＆＃34;最简单的＆＃34;可能出现的优化问题如下：

根据标准，优化的执行顺序可能不会改变程序的功能。问题是，仅适用于单线程程序，或多线程程序中的单线程。

所以，对于writer_thread和一个（volatile）bool

data.push_back(42);
data_ready = true;

和

data_ready = true;
data.push_back(42);

是等价的。

结果就是那个

std::cout << "The answer=" << data[0] << "\n";

可以在不将任何值推入数据的情况下执行。

原子bool确实阻止了这种优化，根据定义它可能不会被重新排序。有原子操作的标志允许语句在操作前移动而不是在后面移动，反之亦然，但那些需要非常高级的编程结构知识及其可能导致的问题...

C ++：std :: atomic <bool>和volatile bool </bool>

3 个答案: