之前一段時間偶然在 B 站上刷到了南京大學(xué)蔣炎巖（jyy）老師在直播操作系統(tǒng)網(wǎng)課。點(diǎn)進(jìn)直播間看了一下發(fā)現(xiàn)這個老師實(shí)力非凡，上課從不照本宣科，而且旁征博引又不吝于親自動手演示，于是點(diǎn)了關(guān)注。后來開始看其網(wǎng)課錄播，其中一節(jié)的標(biāo)題吸引了我，多處理器編程：從入門到放棄 (線程庫；現(xiàn)代處理器和寬松內(nèi)存模型)?！岸嗵幚砥骶幊獭边@個詞讓我聯(lián)想到去年看的《The Art of Multiprocessor Programming》，于是仔細(xì)看了一下這節(jié)網(wǎng)課。里面介紹到了一個試?yán)?write_x_read_y，它是用 C 語言和內(nèi)聯(lián)匯編寫的，它用來說明運(yùn)行期指令重排。這個試?yán)軌虺晒τ^測到運(yùn)行期指令重排現(xiàn)象。這讓我不得不佩服 jyy 的實(shí)踐精神。之前看了一些介紹 C++ 內(nèi)存模型的文章，沒有一個能用可復(fù)現(xiàn)的完整代碼說明問題的，全部都是說這段代碼可能出現(xiàn) xx 結(jié)果，沒有實(shí)際的執(zhí)行結(jié)果。在 C++ 內(nèi)存模型中，這個測試用例除了能夠說明運(yùn)行期指令重排，也能用于說明 happens-before consistency 和 sequential consistency 的差別。于是嘗試用 C++ Atomic 來實(shí)現(xiàn)這段代碼，看看能不能觀測到預(yù)期結(jié)果。

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首先線程庫 pthread 替換為 std::thread，內(nèi)聯(lián)匯編替換為 std::atomic，且 load 和 store 操作全部使用最弱的 std::memory_order_relaxed 內(nèi)存序。完整的代碼如下：

// write_x_read_y.cpp

#include <atomic>
#include <thread>
#include <stdio.h>

static std::atomic_int flag{0};

inline void wait_flag(int id)
{
    while (!(flag & (0x1 << id))) {}
}

inline void clear_flag(int id)
{
    flag.fetch_and(~(0x1 << id));
}

std::atomic_int x{0}, y{0};

void write_x_read_y()
{
    while (true) {
        wait_flag(0);

        x.store(1, std::memory_order_relaxed);    // t1.1
        int v = y.load(std::memory_order_relaxed); // t1.2
        printf("%d ", v);

        clear_flag(0);
    }
}

void write_y_read_x()
{
    while (true) {
        wait_flag(1);

        y.store(1, std::memory_order_relaxed);    // t2.1
        int v = x.load(std::memory_order_relaxed); // t2.2
        printf("%d ", v);

        clear_flag(1);
    }
}

int main()
{
    std::thread t1(write_x_read_y), t2(write_y_read_x);

    while (true) {
        x = 0, y = 0;
        flag = 0b11;

        while (flag) {}

        printf("\n");
        fflush(stdout);
    }

    t1.join();
    t2.join();
}

注意這段代碼要開啟代碼優(yōu)化才能觀測到運(yùn)行期指令重排，這里選擇 O2

g++ -o write_x_read_y.out -O2 -pthread -std=c++11 -Wall -Wextra write_x_read_y.cpp

然后使用 jyy 視頻里使用的 Unix 命令進(jìn)行測試并整理結(jié)果

./write_x_read_y.out | head -n | sort | uniq -c

以下結(jié)果是在虛擬機(jī)環(huán)境中執(zhí)行得到的。宿主機(jī) CPU 型號為 AMD Ryzen 7 5800X，OS 為 Windows 10 x64，虛擬機(jī)是 Rocky Linux 8.6。

  0 0 
   0 1 
   1109 1 0 
      2 1 1

成功觀測到“0 0”。假設(shè)程序按照簡單交叉執(zhí)行，執(zhí)行結(jié)果只可能是“0 1”、“1 0”、“1 1”這三種，不可能出現(xiàn)“0 0”。也就是說發(fā)生了運(yùn)行期指令重排。

接下來，將 std::memory_order_relaxed 替換為 std::memory_order_release 和 std::memory_order_acquire，再測一遍

x.store(1, std::memory_order_release);    // t1.1
int v = y.load(std::memory_order_acquire); // t1.2
printf("%d ", v);

y.store(1, std::memory_order_release);    // t2.1
int v = x.load(std::memory_order_acquire); // t2.2
printf("%d ", v);

測試結(jié)果為：

  0 0 
  0 1 
   1 0 
      2 1 1

又出現(xiàn)了“0 0”，也就說明這個試?yán)裏o法區(qū)分 relaxed memory model 和 happens-before consistency。這也與理論相符，雖然 t1.1 happens-before t2.2、t2.1 happens-before t1.2，但是卻無法借此推導(dǎo)出約束關(guān)系來限制執(zhí)行結(jié)果。“0 0”依然有可能出現(xiàn)。

接下來替換為 std::memory_order_seq_cst

x.store(1, std::memory_order_seq_cst);    // t1.1
int v = y.load(std::memory_order_seq_cst); // t1.2
printf("%d ", v);

y.store(1, std::memory_order_seq_cst);    // t2.1
int v = x.load(std::memory_order_seq_cst); // t2.2
printf("%d ", v);

測試結(jié)果為：

  0 1 
    151 1 0 
  1 1

這次“0 0”并沒有出現(xiàn)，運(yùn)行期指令重排沒有被觀測到。這與理論相符，使用 std::memory_order_seq_cst 的所有原子操作可以視為簡單交叉執(zhí)行，也就是 sequential consistency?！? 0”不可能出現(xiàn)。

write_x_read_y 這個試?yán)芎玫卣f明了 C++ 內(nèi)存模型中的 happens-before consistency 和 sequential consistency 的區(qū)別。它的代碼片段常見于各種相關(guān)文章中，卻沒有完整的代碼和實(shí)際的測試結(jié)果。這下也算補(bǔ)全了 C++ 內(nèi)存模型知識的一塊拼圖。

當(dāng)前標(biāo)題：C++ 內(nèi)存模型 write_x_read_y 試?yán)龢?gòu)造
轉(zhuǎn)載源于：http://chinadenli.net/article22/dsoigjc.html

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