Linux環境多執行緒程式設計基礎設施

Yebangyu發表於2016-08-08

本文介紹多執行緒環境下並行程式設計的基礎設施。主要包括:

  • Volatile
  • __thread
  • Memory Barrier
  • __sync_synchronize

volatile

編譯器有時候為了優化效能,會將一些變數的值快取到暫存器中,因此如果編譯器發現該變數的值沒有改變的話,將從暫存器裡讀出該值,這樣可以避免記憶體訪問。

但是這種做法有時候會有問題。如果該變數確實(以某種很難檢測的方式)被修改呢?那豈不是讀到錯的值?是的。在多執行緒情況下,問題更為突出:當某個執行緒對一個記憶體單元進行修改後,其他執行緒如果從暫存器裡讀取該變數可能讀到老值,未更新的值,錯誤的值,不新鮮的值。

如何防止這樣錯誤的“優化”?方法就是給變數加上volatile修飾。

volatile int i=10;//用volatile修飾變數i
......//something happened 
int b = i;//強制從記憶體中讀取實時的i的值

OK,畢竟volatile不是完美的,它也在某種程度上限制了優化。有時候是不是有這樣的需求:我要你立即實時讀取資料的時候,你就訪問記憶體,別優化;否則,你該優化還是優化你的。能做到嗎?

不加volatile修飾,那麼就做不到前面一點。加了volatile,後面這一方面就無從談起,怎麼辦?傷腦筋。

其實我們可以這樣:

int i = 2; //變數i還是不用加volatile修飾

#define ACCESS_ONCE(x) (* (volatile typeof(x) *) &(x))

需要實時讀取i的值時候,就呼叫ACCESS_ONCE(i),否則直接使用i即可。

這個技巧,我是從《Is parallel programming hard?》上學到的。

聽起來都很好?然而險象環生:volatile常被誤用,很多人往往不知道或者忽略它的兩個特點:在C/C++語言裡,volatile不保證原子性;使用volatile不應該對它有任何Memory Barrier的期待。

第一點比較好理解,對於第二點,我們來看一個很經典的例子:

volatile int is_ready = 0;
char message[123];
void thread_A
{
  while(is_ready == 0)
  {
  }
  //use message;
}
void thread_B
{
  strcpy(message,"everything seems ok");
  is_ready = 1;
}

執行緒B中,雖然is_readyvolatile修飾,但是這裡的volatile不提供任何Memory Barrier,因此12行和13行可能被亂序執行,is_ready = 1被執行,而message還未被正確設定,導致執行緒A讀到錯誤的值。

這意味著,在多執行緒中使用volatile需要非常謹慎、小心。

__thread

__threadgcc內建的用於多執行緒程式設計的基礎設施。用__thread修飾的變數,每個執行緒都擁有一份實體,相互獨立,互不干擾。舉個例子:

#include<iostream>  
#include<pthread.h>  
#include<unistd.h>  
using namespace std;
__thread int i = 1;
void* thread1(void* arg);
void* thread2(void* arg);
int main()
{
  pthread_t pthread1;
  pthread_t pthread2;
  pthread_create(&pthread1, NULL, thread1, NULL);
  pthread_create(&pthread2, NULL, thread2, NULL);
  pthread_join(pthread1, NULL);
  pthread_join(pthread2, NULL);
  return 0;
}
void* thread1(void* arg)
{
  cout<<++i<<endl;//輸出 2  
  return NULL;
}
void* thread2(void* arg)
{
  sleep(1); //等待thread1完成更新
  cout<<++i<<endl;//輸出 2,而不是3
  return NULL;
}

需要注意的是:

1,__thread可以修飾全域性變數、函式的靜態變數,但是無法修飾函式的區域性變數。

2,被__thread修飾的變數只能在編譯期初始化,且只能通過常量表示式來初始化。

Memory Barrier

為了優化,現代編譯器和CPU可能會亂序執行指令。例如:

int a = 1;
int b = 2;
a = b + 3;
b = 10;

CPU亂序執行後,第4行語句和第5行語句的執行順序可能變為先b=10然後再a=b+3

有些人可能會說,那結果不就不對了嗎?b為10,a為13?可是正確結果應該是a為5啊。

哦,這裡說的是語句的執行,對應的彙編指令不是簡單的mov b,10和mov b,a+3。

生成的彙編程式碼可能是:

movl    b(%rip), %eax ; 將b的值暫存入%eax
movl    $10, b(%rip) ; b = 10
addl    $3, %eax ; %eax加3
movl    %eax, a(%rip) ; 將%eax也就是b+3的值寫入a,即 a = b + 3

這並不奇怪,為了優化效能,有時候確實可以這麼做。但是在多執行緒並行程式設計中,有時候亂序就會出問題。

一個最典型的例子是用鎖保護臨界區。如果臨界區的程式碼被拉到加鎖前或者釋放鎖之後執行,那麼將導致不明確的結果,往往讓人不開心的結果。

還有,比如隨意將讀資料和寫資料亂序,那麼本來是先讀後寫,變成先寫後讀就導致後面讀到了髒的資料。因此,Memory Barrier就是用來防止亂序執行的。具體說來,Memory Barrier包括三種:

1,acquire barrieracquire barrier之後的指令不能也不會被拉到該acquire barrier之前執行。

2,release barrierrelease barrier之前的指令不能也不會被拉到該release barrier之後執行。

3,full barrier。以上兩種的合集。

所以,很容易知道,加鎖,也就是lock對應acquire barrier;釋放鎖,也就是unlock對應release barrier。哦,那麼full barrier呢?

__sync_synchronize

__sync_synchronize就是一種full barrier

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