c++ - C++11 中的数据竞争、UB 和计数器

Question

以下模式在许多软件中很常见，这些软件想要告诉用户它做了多少次各种事情:

int num_times_done_it; // global

void doit() {
  ++num_times_done_it;
  // do something
}

void report_stats() {
  printf("called doit %i times\n", num_times_done_it);
  // and probably some other stuff too
}

不幸的是，如果多个线程可以在没有某种同步的情况下调用doit，则对num_times_done_it 的并发读取-修改-写入可能是数据竞争，因此整个程序的行为将是不确定的。此外，如果 report_stats 可以在没有任何同步的情况下与 doit 同时调用，则在修改 num_times_done_it 的线程和报告其值的线程之间存在另一场数据竞争.

通常，程序员只希望以尽可能少的开销获得调用 doit 的次数的最正确计数。

(如果你认为这个例子微不足道，Hogwild! 基本上使用这个技巧比无数据争用的随机梯度下降获得显着的速度优势。另外，我相信 Hotspot JVM 正是做这种无人看守的多线程访问到方法调用计数的共享计数器——尽管它很清楚，因为它生成汇编代码而不是 C++11。)

明显的非解决方案:

• Atomics，以我所知的任何内存顺序，在这里“尽可能少的开销”失败(原子增量可能比普通增量昂贵得多)，同时超额交付“大部分正确”(通过完全正确) .
• 我不认为将 volatile 混入其中会导致数据竞争，因此将 num_times_done_it 的声明替换为 volatile int num_times_done_it 不会'解决任何问题。
• 每个线程都有一个单独的计数器并将它们全部加到 report_stats 中是一个尴尬的解决方案，但这并不能解决 doit 和 之间的数据竞争>report_stats。此外，它很困惑，它假设更新是关联的，并不真正适合 Hogwild! 的用法。

是否可以在不使用某种形式的同步的情况下，在非平凡的多线程 C++11 程序中实现具有明确语义的调用计数器？

编辑:似乎我们可以使用memory_order_relaxed以稍微间接的方式做到这一点:

atomic<int> num_times_done_it;
void doit() {
  num_times_done_it.store(1 + num_times_done_it.load(memory_order_relaxed),
                          memory_order_relaxed);
  // as before
}

但是，gcc 4.8.2 在 x86_64 上生成此代码(使用 -O3):

   0:   8b 05 00 00 00 00       mov    0x0(%rip),%eax
   6:   83 c0 01                add    $0x1,%eax
   9:   89 05 00 00 00 00       mov    %eax,0x0(%rip)

和 clang 3.4 在 x86_64 上生成此代码(同样使用 -O3):

   0:   8b 05 00 00 00 00       mov    0x0(%rip),%eax
   6:   ff c0                   inc    %eax
   8:   89 05 00 00 00 00       mov    %eax,0x0(%rip)

我对 x86-TSO 的理解是，除了中断和有趣的页面保护标志外，这两个代码序列完全等同于单指令内存 inc 和单指令内存 add 由简单的代码生成。 memory_order_relaxed 的这种使用是否构成数据竞争？

Answer 1

分别对每个线程进行计数，并在线程加入后求和。对于中间结果，您也可以在两者之间进行总结，但您的结果可能会关闭。这种模式也更快。您可以将它嵌入到您的线程的基本帮助程序类中，这样如果您经常使用它，您就可以随处使用它。

并且 - 根据编译器和平台，原子并不那么昂贵(请参阅 Herb Sutters“原子武器”谈话 http://channel9.msdn.com/Shows/Going+Deep/Cpp-and-Beyond-2012-Herb-Sutter-atomic-Weapons-1-of-2)但在您的情况下，它会导致缓存出现问题，因此不建议这样做。