Question

我试图理解在线程（或共享内存）环境中不锁定共享变量的危险。很容易争辩说，如果你对一个变量进行两次或多次依赖操作，首先要保持一些锁是很重要的。典型的例子是递增操作，它首先在添加一个并写回之前读取当前值。

但是，如果你只有一个作家（和许多读者）并且写入不依赖于先前的值，那该怎么办呢？所以我有一个线程每秒存储一次时间戳偏移量。偏移量保持当地时间与其他时基之间的差异。很多读者使用这个偏移来为时间戳记事件，并且每次获得读锁定都有点贵。在这种情况下，我不关心读者是否在写入之前或之后获取值，只要读者没有得到垃圾（这是一个从未设置的偏移量）。

假设变量是32位整数。是否有可能在写入过程中获取变量的垃圾读取？或者正在写一个32位整数的原子操作？它会取决于Os还是硬件？关于32位系统的64位整数怎么样？

共享内存而不是线程怎么样？

Answer 1

在32位系统上写入64位整数不是原子的，如果不锁定，可能会有不正确的数据。

例如，如果您的整数是

0x00000000 0xFFFFFFFF

并且您将按顺序编写下一个int，您想写：

0x00000001 0x00000000

但是如果你在写入一个int之后和另一个之前读取了值，那么你可以阅读

0x00000000 0x00000000

或

0x00000001 0xFFFFFFFF

与正确的值完全不同。

如果你想在没有锁的情况下工作，你必须非常确定OS / CPU /编译器组合的原子操作是什么。

Answer 2

除了上述评论之外，请注意稍微更一般的设置中的寄存器库。您可能最终只更新cpu寄存器而不是立即将其写回主存储器。或者在内存中的原始值更新时使用缓存寄存器副本的另一种方式。有些语言使用volatile关键字将变量标记为“read-always-and-never-local-register-cache”。

您语言的内存模型非常重要。它准确描述了在多个线程之间共享给定值的条件。这是您正在执行的CPU体系结构的规则，或者由运行语言的虚拟机确定。例如，Java有一个单独的内存模型，您可以查看它以确定预期的内容。

Answer 3

如果8位，16位或32位读/写符合其大小（在486及更高版本上）并且未对齐但在高速缓存行（在P6及更高版本中），则保证8位，16位或32位读/写是原子的。大多数编译器都会保证堆栈（本地，假设C / C ++）变量是一致的。

如果对齐（在Pentium和更高版本上），64位读/写保证是原子的，但是，这依赖于编译器生成单个指令（例如，从FPU弹出64位浮点数）或使用MMX）。我希望大多数编译器都会使用两个32位访问来实现兼容性，尽管可以检查（反汇编）并且可能会强制执行不同的处理。

下一个问题是缓存和内存防护。但是，忽略这些的效果是某些线程可能会看到旧值，即使它已被更新。该值不会无效，只是过时（可能是微秒）。如果这对你的应用至关重要，你将不得不深入挖掘，但我怀疑它是。

（资料来源：Intel Software Developer Manual Volume 3A）

Answer 4

这在很大程度上取决于硬件和你如何与它交谈。如果您正在编写汇编程序，您将确切地知道您获得了什么，因为处理器手册将告诉您哪些操作是原子操作以及在什么条件下。例如，在Intel Pentium中，如果地址对齐，则32位读取是原子的，但不是。

如果您正在处理上述任何级别，那将取决于最终如何将其转换为机器代码。是编译器，解释器或虚拟机。

Answer 5

您运行的平台决定了原子读/写的大小。通常，32位（寄存器）平台仅支持32位原子操作。因此，如果您编写的是32位以上，则可能必须使用其他一些机制来协调对该共享数据的访问。

一种机制是对实际数据进行双倍或三倍缓冲，并使用共享索引来确定“最新”版本：

write(blah)
{
    new_index= ...; // find a free entry in the global_data array.
    global_data[new_index]= blah;
    WriteBarrier(); // write-release
    global_index= new_index;
}

read()
{
    read_index= global_index;
    ReadBarrier(); // read-acquire
    return global_data[read_index];
}

您需要内存障碍，以确保在阅读global_data[...]之前不会从global_index开始阅读，并且在您写信至{global_index之后才写入global_data[...] 1}}。

这有点糟糕，因为你也可以通过抢占遇到ABA问题，所以不要直接使用它。

Answer 6

平台通常提供原始读/写访问（在硬件级别强制执行）到原始值（32位或64位，如示例所示） - 请参阅the Interlocked* APIs on Windows。

这可以避免对线程安全变量或成员访问使用较重的权重锁，但不应与同一实例或成员上的其他类型的锁混淆。换句话说，请勿使用Mutex在一个位置调解访问权限，并使用Interlocked*在另一个位置修改或阅读。

非保护危害在线程环境中共享变量

6 个答案: