gcc - 为什么 GCC std::atomic 增量会产生低效的非原子组装？

Question

我使用我自己的 __sync_fetch_and_add 已经使用 gcc 的 Intel 兼容内置函数(如 atomic)有一段时间了。模板。 “__sync ”函数现在被正式视为“遗留”。

C++11 支持 std::atomic<>及其后代，因此使用它似乎是合理的，因为它使我的代码符合标准，并且编译器将以独立于平台的方式生成最佳代码，这几乎好得令人难以置信。
顺便说一句，我只需要文本替换 atomic与 std::atomic ，也是。 std::atomic里面有很多东西(re:内存模型)我并不真正需要，但默认参数会照顾到这一点。

现在是坏消息。事实证明，生成的代码是，据我所知，......完全是废话，甚至根本不是原子的。即使是增加单个原子变量并输出它的最小示例也有不少于 5 个对 ___atomic_flag_for_address 的非内联函数调用。 , ___atomic_flag_wait_explicit , 和 __atomic_flag_clear_explicit (完全优化)，另一方面，生成的可执行文件中没有单个原子指令。

什么给？当然，编译器错误的可能性始终存在，但由于评论者和用户数量庞大，通常不太可能会忽视此类相当严重的事情。这意味着，这可能不是错误，而是预期的行为。

这么多函数调用背后的“原理”是什么，没有原子性如何实现原子性？

尽可能简单的例子:

#include <atomic>

int main()
{
    std::atomic_int a(5);
    ++a;
    __builtin_printf("%d", (int)a);
    return 0;
}

产生以下 .s :

movl    $5, 28(%esp)     #, a._M_i
movl    %eax, (%esp)     # tmp64,
call    ___atomic_flag_for_address   #
movl    $5, 4(%esp)  #,
movl    %eax, %ebx   #, __g
movl    %eax, (%esp)     # __g,
call    ___atomic_flag_wait_explicit     #
movl    %ebx, (%esp)     # __g,
addl    $1, 28(%esp)     #, MEM[(__i_type *)&a]
movl    $5, 4(%esp)  #,
call    _atomic_flag_clear_explicit  #
movl    %ebx, (%esp)     # __g,
movl    $5, 4(%esp)  #,
call    ___atomic_flag_wait_explicit     #
movl    28(%esp), %esi   # MEM[(const __i_type *)&a], __r
movl    %ebx, (%esp)     # __g,
movl    $5, 4(%esp)  #,
call    _atomic_flag_clear_explicit  #
movl    $LC0, (%esp)     #,
movl    %esi, 4(%esp)    # __r,
call    _printf  #
(...)
.def    ___atomic_flag_for_address; .scl    2;  .type   32; .endef
.def    ___atomic_flag_wait_explicit;   .scl    2;  .type   32; .endef
.def    _atomic_flag_clear_explicit;    .scl    2;  .type   32; .endef

...和提到的功能看起来例如像这样在 objdump :

004013c4 <__atomic_flag_for_address>:
mov    0x4(%esp),%edx
mov    %edx,%ecx
shr    $0x2,%ecx
mov    %edx,%eax
shl    $0x4,%eax
add    %ecx,%eax
add    %edx,%eax
mov    %eax,%ecx
shr    $0x7,%ecx
mov    %eax,%edx
shl    $0x5,%edx
add    %ecx,%edx
add    %edx,%eax
mov    %eax,%edx
shr    $0x11,%edx
add    %edx,%eax
and    $0xf,%eax
add    $0x405020,%eax
ret    

其他的稍微简单一些，但我没有找到一个真正是原子的指令(除了一些虚假的 xchg 在 X86 上是原子的，但这些似乎是 NOP/填充，因为它是 xchg %ax,%ax 跟随 ret)。

我绝对不确定需要这样一个相当复杂的函数是为了什么，以及它是如何使任何东西成为原子的。

Answer 1

这是一个不适当的编译器构建。

检查您的 c++config.h ，它应该看起来像这样，但它不是:

/* Define if builtin atomic operations for bool are supported on this host. */
#define _GLIBCXX_ATOMIC_BUILTINS_1 1

/* Define if builtin atomic operations for short are supported on this host.
   */
#define _GLIBCXX_ATOMIC_BUILTINS_2 1

/* Define if builtin atomic operations for int are supported on this host. */
#define _GLIBCXX_ATOMIC_BUILTINS_4 1

/* Define if builtin atomic operations for long long are supported on this
   host. */
#define _GLIBCXX_ATOMIC_BUILTINS_8 1

这些宏的定义与否取决于 configure测试，检查主机是否支持 __sync_XXX功能。这些测试位于 libstdc++v3/acinclude.m4 , AC_DEFUN([GLIBCXX_ENABLE_ATOMIC_BUILTINS] ... .

在您的安装中，可以从 MEM[(__i_type *)&a] 中看出这一点。通过 -fverbose-asm 放入程序集文件编译器使用来自 atomic_0.h 的宏，例如:

#define _ATOMIC_LOAD_(__a, __x)                        \
  ({typedef __typeof__(_ATOMIC_MEMBER_) __i_type;                          \
    __i_type* __p = &_ATOMIC_MEMBER_;                      \
    __atomic_flag_base* __g = __atomic_flag_for_address(__p);          \
    __atomic_flag_wait_explicit(__g, __x);                 \
    __i_type __r = *__p;                           \
    atomic_flag_clear_explicit(__g, __x);                      \
    __r; })

使用正确构建的编译器，以及您的示例程序， c++ -m32 -std=c++0x -S -O2 -march=core2 -fverbose-asm应该产生这样的东西:

movl    $5, 28(%esp)    #, a.D.5442._M_i
lock addl   $1, 28(%esp)    #,
mfence
movl    28(%esp), %eax  # MEM[(const struct __atomic_base *)&a].D.5442._M_i, __ret
mfence
movl    $.LC0, (%esp)   #,
movl    %eax, 4(%esp)   # __ret,
call    printf  #