c++ - GCC 使用 `memory_order_seq_cst` 跨负载重新排序。这是允许的吗？

Question

使用基本的简化版本 seqlock , gcc 将非原子负载重新排序到原子 load(memory_order_seq_cst)使用 -O3 编译代码时.当使用其他优化级别编译或使用 clang 编译时(即使在 O3 上)也不会观察到这种重新排序。这种重新排序似乎违反了应该建立的同步关系，我很想知道为什么 gcc 重新排序这个特定的负载，以及标准是否允许这样做。

考虑以下 load功能:

auto load()
{
    std::size_t copy;
    std::size_t seq0 = 0, seq1 = 0;
    do
    {
        seq0 = seq_.load();
        copy = value;
        seq1 = seq_.load();
    } while( seq0 & 1 || seq0 != seq1);

    std::cout << "Observed: " << seq0 << '\n';
    return copy;
}

在 seqlock 过程之后，这个读取器旋转直到它能够加载 seq_ 的两个实例。 , 定义为 std::atomic<std::size_t> ，它们是偶数(表示作者当前未写入)和相等(表示作者尚未在 value 的两次加载之间写入 seq_)。此外，因为这些负载被标记为 memory_order_seq_cst (作为默认参数)，我会想象指令 copy = value;将在每次迭代中执行，因为它不能在初始加载期间重新排序，也不能在后者之下重新排序。

然而，generated assembly从 value 发出负载在第一次从 seq_ 加载之前甚至在循环之外执行。这可能导致不正确的同步或撕裂读取 value seqlock 算法无法解决的问题。此外，我注意到这仅在 sizeof(value) 时发生。小于 123 字节。修改 value某种类型 >= 123 字节会产生正确的程序集，并在 seq_ 的两次加载之间的每次循环迭代中加载.这个看似任意的阈值决定生成哪个程序集有什么原因吗？

This test harness暴露了我的 Xeon E3-1505M 上的行为，其中“Observed: 2”将从阅读器打印出来，并返回值 65535。 seq_ 的观测值组合和来自 value 的返回负载似乎违反了作者线程发布应建立的同步关系 seq.store(2)与 memory_order_release和读者线程阅读seq_与 memory_order_seq_cst .

gcc 重新排序负载是否有效，如果是，为什么它只在 sizeof(value) 时才这样做？ < 123？ clang，无论优化级别还是 sizeof(value)不会重新排序负载。我相信 Clang 的代码生成是合适且正确的方法。

Answer 1

恭喜，我认为您在 gcc 中遇到了错误!

现在我认为你可以做出合理的论证，因为 other answer是的，您显示的原始代码可能可能已经被 gcc 以这种方式正确优化了通过依赖一个关于无条件访问 value 的相当模糊的论点: 本质上你不能一直依赖负载之间的同步关系 seq0 = seq_.load();以及随后读取的 value ，所以在“其他地方”阅读它不应该改变无竞争程序的语义。我实际上不确定这个论点，但这是我从减少代码中得到的一个“更简单”的案例:

#include <atomic>
#include <iostream>

std::atomic<std::size_t> seq_;
std::size_t value;

auto load()
{
    std::size_t copy;
    std::size_t seq0;
    do
    {
        seq0 = seq_.load();
        if (!seq0) continue;
        copy = value;
        seq0 = seq_.load();
    } while (!seq0);

    return copy;
}

这不是 seqlock或任何东西 - 它只是等待 seq0从零变为非零，然后读取 value . seq_的二读和while一样是多余的条件，但如果没有它们，错误就会消失。

现在这是众所周知的习语的读取端，它确实有效并且没有竞争:一个线程写入 value , 然后设置 seq0发布商店非零。线程调用 load查看非零存储，并与之同步，这样就可以安全地读取 value .当然，你不能一直写信给value ，这是“一次性”初始化，但这是一种常见模式。

通过上面的代码，gcc是still hoisting the read of value :

load():
        mov     rax, QWORD PTR value[rip]
.L2:
        mov     rdx, QWORD PTR seq_[rip]
        test    rdx, rdx
        je      .L2
        mov     rdx, QWORD PTR seq_[rip]
        test    rdx, rdx
        je      .L2
        rep ret

糟糕!

此行为出现在 gcc 7.3 之前，但不会出现在 8.1 中。您的代码也可以在 8.1 中按照您的意愿进行编译:

    mov     rbx, QWORD PTR seq_[rip]
    mov     rbp, QWORD PTR value[rip]
    mov     rax, QWORD PTR seq_[rip]