Question

在互联网上，可以找到很多关于在并行编程中使用volatile关键字的争论，有时会出现矛盾的论证。

关于这个话题的一个更值得信赖的讨论似乎是this article by Arch Robison。他正在使用的示例是将值从一个线程传递到另一个线程的任务：

线程1.计算矩阵乘积并将其提供给线程2，线程2执行其他操作。矩阵是变量M，标志是volatile指针R。

线程1乘法计算矩阵乘积M并进行原子设置   R指向M.

线程2等待直到R！= NULL，然后使用M作为计算另一个矩阵乘积的因子。

换句话说，M是一条消息，R是就绪标志。

作者声称，虽然将R声明为volatile将解决将更改从线程1传播到线程2的问题，但它不能保证M发生这种情况时M的值是什么。并且R和M的分配可以重新排序。因此，我们需要使M和R兼容，或者在某些库中使用某些同步机制，例如pthreads。

我的问题是，如何在C

中执行以下操作

1）如何在两个线程之间共享一个标志 - 如何以原子方式分配给它，确保另一个线程将看到更改并测试另一个线程中的更改。在这种情况下使用volatile合法吗？或者某些图书馆可以提供概念上更好或更快的方式，可能涉及内存障碍？

2）如何正确执行Robison的示例，以及如何将矩阵M从一个线程发送到另一个线程并安全地执行（并且最好使用pthreads进行移植）

Answer 1

在像x86这样的体系结构中，默认情况下，像指针一样正确对齐（和大小）的变量将以原子方式读取和写入，但需要发生的是内存读/写的序列化以防止在CPU管道中重新排序（通过使用显式内存栅栏或总线锁定操作）以及使用volatile来阻止编译器重新排序它生成的代码。

最简单的方法是使用CAS。大多数CAS内在函数在编译器和CPU内存总线级别提供完整的内存屏障。在MSVC下，您可以使用Interlock*函数，BTS，BTR，Inc，Dec，Exchange和Add都可以用于标记，对于GCC，您可以使用基于__sync_*的变体。

对于更多便携式选项，您可以使用pthread_mutex或pthread_cond。如果您可以使用C11，还可以查看_Atomic关键字。

Answer 2

volatile为您提供零订购保证。在编译时（以及在弱排序ISA上的运行时），它与_Atomic和memory_order_relaxed相似。（假设变量足够小，并且排列得足够自然，就是原子的。

当然，bool的其中只有1个字节会发生变化，因此除了0或1以外的其他任何事物都是不可能的。

在运行时，在有序排列的x86上，asm加载/存储具有acq / rel排序，因此，如果volatile碰巧不进行重新排序，则该构建是“安全的”。

When to use volatile with multi threading?（绝对不要：如果需要的话，将原子与memory_order_relaxed一起使用。）

对于“数据就绪”标志，您实际上需要发布/获取语义。 https://preshing.com/20120913/acquire-and-release-semantics/

如何在两个线程之间共享一个标志-如何原子分配给它，请确保另一个线程可以看到更改并测试另一个线程中的更改。

#include <stdatomic.h>
// shared:
_Atomic bool data_ready = false;
float shared_matrix[N][N];

在制作人中：

   write_matrix( &shared_matrix );  // loop that fills a buffer
   atomic_store_explicit(&data_ready, true, memory_order_release);
   // data_ready = true  but with only release, not seq_cst for efficiency

在消费者中：

#include <immintrin.h>   // ifdef __x86__

void consumer() {
   while(!atomic_load_explicit(&data_ready, memory_order_acquire)) {
       _mm_pause();   // for x86 spin loops
   }
   // now safe to read matrix
}

Answer 3

“volatile”是编译器不优化存储器访问的提示，即，不假设自上次（本地）写入以来存储器中的值未改变。如果没有这个提示，编译器可以假定从中复制变量的寄存器的值仍然有效。因此，虽然矩阵不太可能保留在寄存器内，但通常两个变量都应该是易失性的，或者对接收器来说更加精确，易变。

在现实生活多线程中，人们宁愿使用信号量或类似的信号，避免忙于等待接收器。

Answer 4

“经典”方法是让线程1将指向动态分配的矩阵的指针推送到线程2等待的生产者 - 消费者队列上。一旦推送，线程1可以分配另一个M并开始处理它，如果它愿意的话。

如果整体性能主要由大型矩阵上的操作支配，那么优化可能为时过早。

使用标志在线程之间进行通信

4 个答案: