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假设有一个像 std::vector 这样的数据结构和一个初始化为零的全局变量 intsyncToken。另外,恰好有两个线程作为读取器/写入器,为什么以下(伪)代码(in)有效?
void reader_thread(){
while(1){
if(syncToken!=0){
while(the_vector.length()>0){
// ... process the std::vector
}
syncToken = 0; // let the writer do it's work
}
sleep(1);
}
}
void writer_thread(){
while(1){
std::string data = waitAndReadDataFromSomeResource(the_resource);
if(syncToken==0){
the_vector.push(data);
syncToken = 1; // would syncToken++; be a difference here?
}
// drop data in case we couldn't write to the vector
}
}
虽然这段代码的(时间)效率不高,但据我所知,该代码是有效的,因为两个线程仅以不会导致未定义行为的方式同步全局变量值。唯一的问题可能发生在同时使用 vector 时,但这不应该发生,因为仅在零和一之间切换作为同步值,对吗?
更新由于我犯了只问是/否问题的错误,因此我将问题更新为“为什么”,希望得到一个非常具体的案例作为答案。似乎问题本身根据答案绘制了错误的图片,因此我将详细说明上面代码中我的问题/疑问。
首先,我想指出,我要求提供一个特定的用例/示例/证明/详细解释,以准确说明不同步的情况。即使是让示例计数器表现出非单调递增的 C 示例代码也只会回答是/否问题,而不是为什么!我感兴趣的是为什么。因此,如果您提供一个示例来证明它存在问题,我会对原因感兴趣。
根据(我的)定义,当且仅当 if 语句中的代码(不包括 if block 底部的syncToken 赋值)只能由这两个给定线程之一执行时,上述代码才应命名为同步。给定时间。
基于这个想法,我正在寻找一个可能基于汇编程序的示例,其中两个线程同时执行 if block - 意味着它们不同步或不同步。
作为引用,我们看一下 gcc 生成的汇编代码的相关部分:
; just the declaration of an integer global variable on a 64bit cpu initialized to zero
syncToken:
.zero 4
.text
.globl main
.type main, @function
; writer (Cpu/Thread B): if syncToken == 0, jump not equal to label .L1
movl syncToken(%rip), %eax
testl %eax, %eax
jne .L1
; reader (Cpu/Thread A): if syncToken != 0, jump to Label L2
movl syncToken(%rip), %eax
testl %eax, %eax
je .L2
; set syncToken to be zero
movl $0, syncToken(%rip)
现在我的问题是,我不明白为什么这些指令会不同步。
假设两个线程都在自己的 CPU 核心上运行,例如线程 A 在核心 A 上运行,线程 B 在核心 B 上运行。初始化是全局的,并且在两个线程开始执行之前完成,因此我们可以忽略初始化并假设两个线程都启动与syncToken=0;
示例:
老实说,我构建了一个运行良好的示例,但它表明我看不出为什么变量应该不同步,以便两个线程同时执行 if block 。我的观点是:虽然上下文切换会导致 %eax 与 RAM 中的syncToken的实际值不一致,但代码应该做正确的事情,如果它不是唯一允许运行的线程,则不执行 if block 它。
更新2可以假设syncToken只会像所示的代码中那样使用。不允许其他函数(如 waitAndReadDataFromSomeResource)以任何方式使用它
更新3让我们更进一步,提出一个稍微不同的问题:是否可以使用 intsyncToken 同步两个线程、一个读取器、一个写入器,以便线程不会通过同时执行 if block 而始终不同步?如果是的话 - 那很有趣^^如果不是 - 为什么?
最佳答案
基本问题是您假设对 syncToken
的更新与对 vector 的更新是原子的,但事实并非如此。
无法保证在多核 CPU 上这两个线程不会在不同的核心上运行。并且无法保证内存更新写入主内存或缓存从主内存刷新的顺序。
因此,当在读取线程中将 syncToken
设置为零时,写入线程可能会在看到 vector 内存的更改之前看到该更改。因此它可以开始将内容推送到 vector 的过时末尾。
类似地,当您在编写器线程中设置 token 时,读取器可能会开始访问 vector 内容的旧版本。更有趣的是,根据 vector 的实现方式,读者可能会看到 vector header 包含指向内存内容的旧指针
void reader_thread(){
while(1){
if(syncToken!=0){
while(the_vector.length()>0){
// ... process the std::vector
}
syncToken = 0; // let the writer do it's work
}
sleep(1);
此 sleep
将在进入操作系统时导致内存刷新,但无法保证内存刷新的顺序或编写器线程将按照哪个顺序看到它。
}
}
void writer_thread(){
while(1){
std::string data = waitAndReadDataFromSomeResource(the_resource);
这可能导致内存刷新。另一方面也可能不会。
if(syncToken==0){
the_vector.push(data);
syncToken = 1; // would syncToken++; be a difference here?
}
// drop data in case we couldn't write to the vector
}
}
使用 syncToken++
(一般来说)没有帮助,因为它执行读/修改/写操作,因此如果另一端碰巧同时进行修改,您可能会得到任何某种结果。
为了安全起见,您需要使用内存同步或锁来确保内存以正确的顺序读取/写入。
在此代码中,您需要在读取 syncToken
之前使用读同步屏障,并在写入之前使用写同步屏障。
使用写同步可确保在之后的任何更新之前,到该点的所有内存更新对主内存都是可见的 - 以便在 syncToken
之前正确更新 the_vector
设置为一。
在读取syncToken
之前使用读取同步将确保缓存中的内容与主内存是正确的。
一般来说,这可能相当棘手,除非性能非常关键,否则最好使用互斥体或信号量来确保同步。
正如 Anders 所指出的,编译器仍然可以自由地重新排序对 syncToken
的访问和对 the_vector
的访问(如果它可以确定这些函数的作用,则可以使用std::vector
它可能可以) - 添加内存屏障将停止这种重新排序。将 syncToken
设为 volatile 也会停止重新排序,但它不会解决多核系统上的内存一致性问题,并且不允许您安全地对同一系统进行读取/修改/写入来自 2 个线程的变量。
关于c++ - (C/C++) 为什么使用全局变量同步单个读取器和单个写入器是有效的?,我们在Stack Overflow上找到一个类似的问题: https://stackoverflow.com/questions/33997776/
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