CyclicBarrier 中的 C++ 倒计时使用原子变量出错 [请使用无锁解决方案]

Question

我正在尝试从头开始在 C++ 中实现循环屏障。目标是实现尽可能符合 Java 实现。类引用在这里。 https://docs.oracle.com/javase/7/docs/api/java/util/concurrent/CyclicBarrier.html

现在，在我的测试中，returnStatus 应该针对成功越过障碍的每个线程，其值范围从 barrierLimit-1 到零。我正在尝试使用原子变量和内存栅栏来实现这一点。但我的代码测试失败，在某些情况下，两个线程的 returnStatus 值相同。

如果有任何技术可以帮助解决这个问题，请有人提出建议。我想在不使用锁的情况下解决这个问题，这样我就可以真正尽可能多地应用无锁行为。

完整的代码引用位于:https://github.com/anandkulkarnisg/CyclicBarrier/blob/master/CyclicBarrier.cpp

Sample test case result is below [ buggy case ]:

I am currently in thread id = 140578053969664.My barrier state count is = 4
I am currently in thread id = 140577877722880.My barrier state count is = 2
I am currently in thread id = 140577550407424.My barrier state count is = 1
I am currently in thread id = 140577936471808.My barrier state count is = 2
I am currently in thread id = 140577760225024.My barrier state count is = 0


The code snippet is below.

        // First check and ensure that the barrier is in good / broken state.
        if(!m_barrierState && !m_tripStatus)
        {
            // First check the status of the variable and immediately exit throwing exception if the count is zero.
            int returnResult;
            if(m_count == 0)
                throw std::string("The barrier has already tripped. Pleas reset the barrier before use again!!" + std::to_string(returnResult));

            // First ensure that the current wait gets the waiting result assigned immediately.

            std::atomic_thread_fence(std::memory_order_acquire);
            m_count.fetch_sub(1, std::memory_order_seq_cst);
            returnResult = m_count.load();
    std::atomic_thread_fence(std::memory_order_release);

Answer 1

std::atomic_thread_fence(std::memory_order_acquire);
m_count.fetch_sub(1, std::memory_order_seq_cst);      // [1]
returnResult = m_count.load();                        // [2]
std::atomic_thread_fence(std::memory_order_release);

[2] 多个线程同时在做这个步骤。 std::atomic_thread_fence 不会阻止其他线程同时运行相同的代码。这就是 2 个线程最终会得到相同值的原因。

相反，在标有 [1]

的行上捕获 fetch_sub 的返回值

returnResult = m_count.fetch_sub(1, std::memory_order_seq_cst) - 1;

顺便说一句，我很确定你不需要这里的栅栏。 (如果没有看到更多的功能，我真的无法分辨。)如果你这样做，你可能只是将 returnResult 切换为原子。

看起来您正在使用栅栏，就好像它们是事务内存一样。他们不是。当任何使用 acquire 的 CPU 感知时，释放本质上控制存储排序的保证。只要不破坏顺序保证，写入就可以在实际处理发布之前自由传播。作为一个思想实验，假设 [1] 被执行，然后发生上下文切换，一百万年过去了，然后 [2] 被执行。现在假设 m_count 与一百万年前的值相同显然是荒谬的。发布可能会刷新写入缓冲区，但更改可能已被刷新。

最后，如果将 seq_cst 与 acquire/release 语义混合使用，可能会发生奇怪的事情。抱歉，这很含糊，但我对它的理解还不够深入，无法解释。