c++ - 将只读数据安全地传递给新线程

Question

假设我有一个程序初始化一个全局变量以供线程使用，如下所示:

int ThreadParameter;

// this function runs from the main thread
void SomeFunction() {
    ThreadParameter = 5;

    StartThread(); // some function to start a thread
    // at this point, ThreadParameter is NEVER modified.
}

// this function is run in a background worker thread created by StartThread();
void WorkerThread() {
    PrintValue(ThreadParameter); // we expect this to print "5"
}

这些问题应该适用于人们可能遇到的任何通用处理器架构。我希望解决方案是可移植的 - 不特定于具有更强内存保证的架构，例如 x86。

一般问题:尽管这很常见，但在所有处理器架构中真的安全吗？如果没有，如何确保安全？

全局变量不是 volatile ;是否可能会在 StartThread() 之后重新排序？打电话让我受苦？如何解决这个问题？

假设计算机有两个处理器，它们都有自己的缓存。主线程在第一个处理器上运行，工作线程在第二个处理器上运行。假设内存块包含 ThreadParameter在程序开始运行之前已被分页到每个处理器的缓存中 SomeFunction() . SomeFunction()写道 5至 ThreadParameter ，它存储在第一个处理器的缓存中，然后启动在第二个处理器上运行的工作线程。不会WorkerThread()在第二个处理器上查看 ThreadParameter 的未初始化数据而不是 5 的预期值，因为第二个处理器中的内存页还没有看到第一个处理器的更新？

如果需要不同的东西 - 如何最好地处理这个而不是简单的 int ，我可以使用指向更复杂的数据类型的指针，这些数据类型不一定在多线程环境中使用？

如果我的担心是没有根据的，我不需要担心的具体原因是什么？

Answer 1

根据您的描述，您似乎在启动任何子线程之前写入 ThreadParameter(或其他一些数据结构)，并且您将永远不会再次写入 ThreadParameter...初始化;那是对的吗？如果是这样，那么每次子线程想要读取数据时，甚至第一次都不需要使用任何线程同步系统调用(或处理器/编译器原语)。

对 volatile 的处理在某种程度上是特定于编译器的；我知道至少对于 PowerPC 的 Diab，有一个关于 volatile 处理的编译器选项:在每次读/写变量后使用 PowerPC EIEIO(或 MBAR)指令，或者不使用它......这个除了禁止与变量相关的编译器优化之外。 (EIEIO/MBAR 是 PowerPC 的指令，用于禁止处理器本身对 I/O 重新排序；即，指令之前的所有 I/O 必须在指令之后的任何 I/O 之前完成)。

从正确性/安全性的角度来看，将其声明为 volatile 并没有什么坏处。但是从实用的角度来看，如果您在 StartThread() 之前足够远地初始化 ThreadParameter，则实际上没有必要将其声明为 volatile(并且不这样做会加速所有后续访问)。几乎任何实质性的函数调用(比如，可能是 printf() 或 cout，或任何系统调用等)都会发出比必要多几个数量级的指令，以确保处理器不会很久以前处理写入调用 StartThread() 之前的 ThreadParameter。实际上，StartThread() 本身几乎肯定会在所讨论的线程实际启动之前执行足够多的指令。所以我建议你真的不需要将它声明为 volatile，即使你在调用 StartThread() 之前立即初始化它也可能不需要。

现在关于您的问题，如果在运行主线程的处理器执行初始化之前，包含该变量的页面已经加载到两个处理器的缓存中会发生什么情况:如果您使用的是通用的通用平台CPU，硬件应该已经就位，可以为您处理缓存一致性。在通用平台上遇到缓存一致性问题的地方，无论它们是否是多处理器，是当您的处理器具有单独的指令和数据缓存并且您编写自修改代码时:写入内存的指令与数据无法区分，因此 CPU 不会使指令缓存中的这些位置无效，因此指令缓存中可能存在陈旧指令，除非您随后使指令缓存中的这些位置无效(或者发布您自己的处理器特定的汇编指令，您可能不会允许根据您的操作系统和线程的权限级别执行操作，或者为您的操作系统发出适当的缓存无效系统调用)。但是你所描述的不是自修改代码，所以在这方面你应该是安全的。

您的问题 1 询问如何在所有处理器架构中确保安全。好吧，正如我上面所讨论的，如果您使用的是数据总线正确桥接的同类处理器，那么您应该是安全的。为多处理器互连而设计的通用处理器具有总线监听协议(protocol)来检测对共享内存的写入……只要您的线程库正确配置了共享内存区域。如果你在一个嵌入式系统中工作，你可能需要在你的 BSP 中自己配置...对于 PowerPC，你需要查看你的 MMU/BAT 配置中的 WIMG 位；我不熟悉其他体系结构，无法为您提供指导。但是.... 如果您的系统是自制软件或者您的处理器不是同类产品，您可能无法指望两个处理器能够窥探彼此的写入；请咨询您的硬件人员以获取建议。