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并行编程之多线程共享非volatile变量,会不会可能导致线程while死循环

时间:2014-05-25 10:24:14      阅读:220      评论:0      收藏:0      [点我收藏+]

标签:cpp   c   volatile   并行编程   多线程   

背景

大家都知道线程之间共享变量要用volatile关键字。但是,如果不用volatile来标识,会不会导致线程死循环?比如下面的伪代码:

static int flag = -1;
void thread1(){
  while(flag > 0){
    //wait or do something
  }
}
void thread2(){
  //do something
  flag = -1;
}

线程1,线程2同时运行,线程2退出之后,线程1会不会有可能因为缓存等原因,一直死循环?

真实的世界

第一个坑:不靠谱的编绎器

直接上代码:

#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

static int vvv = 1;
void* thread1(void *){
	sleep(2);
	printf("sss\n");
	vvv = -1;
	return NULL;
}
int main() {
	pthread_t t;
	int re = pthread_create(&t, NULL, &thread1, NULL);
	if(re < 0){
		perror("thread");
	}
	while(vvv > 0){
//		sleep(1);
	}
	return 0;
}

在main函数里启动了一个线程thread1,thread1会等待一段时间后修改vvv = -1,然后当vvv > 0时,主线程会一直while循环等待。

理想的情况下是这样的:

主线程死循环等待,2秒之后thread1输出"sss",thread1退出,主线程退出。


保存为thread-study.c 文件,直接用gcc -O3 优化:

gcc thread-study.c -O3  -pthread -gstabs
再执行 ./a.out,可以发现控制台输出“sss”之后,会一直等待,再查看CPU使用率,一个核跑满了,说明主线程在死循环。

貌似就像上面所的,主线程因为缓存的原因,导致读取的 vvv 变量一直是旧的,从而死循环了。

但是否真的如此?

经过测试,除了O0级别(即完全不优化)不死循环外,O1,O2,O3级别,都会死循环。

再查看下O3级别的汇编代码(用 gcc -S thread-study.c 生成),main函数部分是这样的:

为了便于查看,手动加了注释。

main:
.LFB56:
	.cfi_startproc
	subq	$24, %rsp
	.cfi_def_cfa_offset 32
	xorl	%ecx, %ecx
	xorl	%esi, %esi
	movl	$_Z7thread1Pv, %edx
	movq	%rsp, %rdi
	call	pthread_create                              //int re = pthread_create(&t, NULL, &thread1, NULL);
	testl	%eax, %eax
	js	.L9
.L4:
	movl	_ZL3vvv(%rip), %eax         //while(vvv > 0){
	testl	%eax, %eax
	jle	.L5
<strong>.L6:
	jmp	.L6</strong>
	.p2align 4,,10
	.p2align 3
.L5:
	xorl	%eax, %eax
	addq	$24, %rsp
	.cfi_remember_state
	.cfi_def_cfa_offset 8
	ret
.L9:
	.cfi_restore_state
	movl	$.LC1, %edi
	call	perror                               //perror("thread");
	jmp	.L4
	.cfi_endproc

在L6标号那里,比较奇怪:

.L6:
jmp .L6

这里明显就是死循环,根本没有去尝试读取xxx的值。那么L4那个标号又是怎么回事?L4的代码是读取 vvv 变量再判断。但是它为什么没有在循环里?

再用gdb从汇编调试下,发现主线程的确是执行了死循环:

   0x0000000000400609 <+25>:    mov    0x200a51(%rip),%eax        # 0x601060 <_ZL3vvv>
   0x000000000040060f <+31>:    test   %eax,%eax
   0x0000000000400611 <+33>:    jle    0x400618 <main+40>
<strong>=> 0x0000000000400613 <+35>:    jmp    0x400613 <main+35></strong>
   0x0000000000400615 <+37>:    nopl   (%rax)

一个jmp指令原地跳转,自然是一个死循环,正对应上面汇编代码的L6部分。

相当于生成了这样的代码:

	if(vvv > 0){
		goto return
	}
	for(;;){
	}

可见gcc生成的代码有问题,它根本就没有生成正确的汇编代码。尽管这种优化是符合规范的,但我个人比较反感这种严重违反直觉的优化。

那么我们的问题还没有解决,接下来修改汇编代码,让它真正的像这样所预期的那样工作。只要简单地把L6的jmp跳转到L4上:

.L4:
	movl	_ZL3vvv(%rip), %eax
	testl	%eax, %eax
	jle	.L5
.L6:
	jmp	.L4
	.p2align 4,,10
	.p2align 3
这个才我们真正预期的代码。

再测试下这个修改过后的代码:

gcc thread-study.s -o test -pthread -gstabs -O3
./test
执行2秒之后,退出了。

说明,主线程并没有一直读取到旧的共享变量的值,符合预期。

加上volatile

给" vvv "变量加上volatile,即:

volatile static int vvv = 1;

重新编绎后,再跑下,发现正常了,2秒后进程退出。

查看下汇编代码,是这样的:

.L5:
	movl	_ZL3vvv(%rip), %eax
	testl	%eax, %eax
	setg	%al
	testb	%al, %al
	jne	.L5
这段汇编代码符合预期。

但是这里还是有点不对,volatile的特殊性在哪里?生成的汇编没有什么特别的指令,那它是如何“防止”了线程不缓存共享变量的?

网上流传的一种说法是使用volatile关键字之后,读取数据一定从内存中读取。

这种说法既是对的,也是错的。volatile关键字防止了编绎器优化,所以对于变量不会被放到寄存器里,或者被优化掉。但是volatile并不能防止CPU从Cache中读取数据。

所谓的“缓存”到底是什么

CPU内部有寄存器,有各级Cache,L1,L2,L3。我们来考虑下到底怎样才会出现线程共享变量被放到CPU的寄存器或者各级Cache的情况。

volatile阻止了编绎器把变量放到寄存器里,那么对线程共享变量的读取即直接的内存访问。

CPU Cache

CPU Cache放的正是内存的数据,像

movl _ZL3vvv(%rip), %eax

这样的指令,是会先从CPU Cache里查找,如果没有的话,再通过总线到内存里读取。

而现代CPU有多核,通常来说每个核的L1, L2 Cache是不共享的,L3 Cache是共享的。

那么问题就变成了:线程A修改了Cache中的内容,线程B是否会一直读取到的都是旧数据?

MESI协议

既然Cache数据会不一致,那么自然要有个机制,让它们之间重回一致。经典的Cache一致性协议是MESI协议。

MESI协议是使用的是Write Back策略,即当一个核内的Cache更新了,它只修改自己核内部的,并不是同步修改到其它核上。

在MESI协议里,每行Cache Line可以有4种状态:

  • Modified     该Cache Line数据被修改,和内存中的不一致,数据只存储在本Cache Line里。
  • Exclusive   该Cache Line数据和内存中的一致,数据只存在本Cache Line里。
  • Shared       该Cache Line数据和内存中的一致,数据存在多个Cache Line里,随时会变成Invalid状态。
  • Invalid         该Cache Line数据无效(即不会再使用)

MESI协议里,状态的转换比较复杂,但是都和人的直觉一致。对于我们研究的问题而言,只需要知道:

当是Shared状态的时,修改Cache Line的内容前,要先通过Request For Ownership (RFO)的方式广播通知其它核,把Cache Line置为Invalid。

当是Modified状态时,Cache控制器会(snoop)拦截其它核对该Cache Line对应的内存地址的访问,在回应回插入当前Cache Line的数据。并把本Cache Line的内容回写到内存里,状态改为Shared。

因此,并不会存在一个核内的Cache数据修改了,另一个核没有感知的情况。

即不会出现线程A修改了Cache中的内容,线程B一直读取到的都是旧数据的情况。考虑到CPU内部通迅都是很快的,本人估计线程A修改了共享变量,线程B读取到新值的时间应该是纳秒级之内。

还有一个坑:CPU乱序执行

现代很多CPU都有乱序执行能力,从上面加了volatile之后生成的汇编代码来看,没有什么特别的地方。那么它对于CPU乱序执行也是无能为力的。比如:

volatile static int flag = -1;
void thread1(){
  ...
  jobA();
  flag = 1;
}
void thread2(){
  ...
  while(1){
    if(flag > 0)
      jobB();
  }
}

对于这两个线程,jobB()有可能比jobA()先执行!

因为thread1里,可能会因为CPU乱序执行,先执行了flag = 1,再执行jobA()。

那么如何防止这种情况?这个麻烦是CPU搞出来的,自然也是CPU提供的解决办法。

GCC内置了一些原子内存访问的函数,如:

http://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc-4.6.2/gcc/Atomic-Builtins.html

type __sync_fetch_and_add (type *ptr, type value, ...)
type __sync_fetch_and_sub (type *ptr, type value, ...)
type __sync_fetch_and_or (type *ptr, type value, ...)
type __sync_fetch_and_and (type *ptr, type value, ...)
type __sync_fetch_and_xor (type *ptr, type value, ...)
type __sync_fetch_and_nand (type *ptr, type value, ...)

这些函数实际即隐含了memory barrier。

比如为之前讨论的代码加上memory barrier:

	while(true){
		__sync_fetch_and_add(&vvv,0);
		if(vvv < 0 )
			break;
	}
再查看下生成的汇编代码:

.L4:
	<strong>lock addl	$0, _ZL3vvv(%rip)</strong>
	movl	_ZL3vvv(%rip), %eax
	shrl	$31, %eax
	testb	%al, %al
	je	.L5
	jmp	.L8
.L5:
	jmp	.L4
可以看到,加多了一条 lock addl 的指令。

这个lock,实际上是一个指令前缀,它保证了当前操作的Cache Line是处于Exclusive状态,而且保证了指令的顺序性。这个指令有可能是通过锁总线来实现的,但是如果总线已经被锁住了,那么只会消耗后缀指令的时间。
实际上Java里的volatile就是在前面加了一个lock add指令实现的。这个有空再写。

其它的一些东东

有些场景可以不用volatile

抛开上面的讨论,其实有些场景可以不使用volatile,比如这种随机获取资源的代码:

ramdonArray[10];
int pos = 0;
Resource getResource(){
  return ramdonArray[pos++%10];
}

这样的代码pos是非volatile,但多线程调用getResource()函数完全没有问题。

C11与C++11

为什么C11和C++11不把volatile升级为java/C#那样的语义?我猜可能是所谓的“兼容性”问题。。蛋疼

C++11提供了Atomic相关的操作,语义和Java里的volatile差不多。但是C11仍然没有什么好的办法,貌似只能用GCC内置函数,或者写一些类似的汇编的宏了。

http://en.cppreference.com/w/cpp/atomic

GCC优化的一些东东

其实在讨论的代码里,如果while循环里多一些代码,GCC可能就分辨不出是否能优化了

优化的一些东东:

比如,在大部分语言里(特别是动态语言),第一份代码要比第二份代码要高效得多。

//1
int len = array.length;
for(int i = 0; i < len; ++i){
}
//2
for(int i = 0; i < array.length; ++i){
}


总结:

回到最初的问题:多线程共享非volatile变量,会不会可能导致线程while死循环?

其实这事要看很多别的东西的脸色。。编绎器的,CPU的,语言规范的。。

对于没有被编绎器优化掉的代码,CPU的Cache一致性协议(典型MESI)保证了,不会出现死循环的情况。这个不是volatile的功劳,这个只是CPU内部的正常机制而已。

对于多线程同步程序,要小心地在合适的地方加上内存屏障(memory barrier)。

参考:

http://en.wikipedia.org/wiki/Volatile_variable  

http://en.wikipedia.org/wiki/MESI

http://en.wikipedia.org/wiki/Write-back#WRITE-BACK

http://en.wikipedia.org/wiki/Bus_snooping

http://en.wikipedia.org/wiki/CPU_cache#Multi-level_caches

http://blog.jobbole.com/36263/     每个程序员都应该了解的 CPU 高速缓存

http://stackoverflow.com/questions/4232660/which-is-a-better-write-barrier-on-x86-lockaddl-or-xchgl

http://stackoverflow.com/questions/8891067/what-does-the-lock-instruction-mean-in-x86-assembly

http://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc-4.6.2/gcc/Atomic-Builtins.html

http://en.cppreference.com/w/cpp/atomic

并行编程之多线程共享非volatile变量,会不会可能导致线程while死循环,布布扣,bubuko.com

并行编程之多线程共享非volatile变量,会不会可能导致线程while死循环

标签:cpp   c   volatile   并行编程   多线程   

原文地址:http://blog.csdn.net/hengyunabc/article/details/26822801

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