我需要一个内存屏障吗？

Question

在下面的C99示例中，即使启用-O2优化，buffer_full标志在读取或写入缓冲区后是否保证被设置？或者，我需要一个内存屏障来确保正确的排序？

我预计这将在一个对齐的32位读写是原子的系统上运行。

假设只有每个线程的一个实例正在运行，并且没有其他线程正在访问buffer或buffer_full。

char buffer[100];
int buffer_full;

// write interesting data to the buffer. does not read.
void fill_buffer(char* buffer, size_t buffsz);
// read the interesting data in the buffer. does not write.
void use_buffer(const char* buffer, size_t buffsz);

void writer_thread()
{
    if (!buffer_full) {
        fill_buffer(buffer, sizeof(buffer));
        // is a memory barrier needed here?
        buffer_full = 1;
    }
}

void reader_thread()
{
    if (buffer_full) {
        use_buffer(buffer, sizeof(buffer));
        // is a memory barrier needed here?
        buffer_full = 0;
    }
}

- PaulH

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你的问题有点难以理解，但我想你的意思是，“buffer_full 的访问是否原子化”？原则上来说，是的。 - Iharob Al Asimi

我认为这也取决于平台。如果int是本地的，那么它就是原子性的，只要变量具有非对齐地址。 - LPs

有点像。我想确保永远不会读取空缓冲区，也永远不会写入满缓冲区。我最关心的是顺序。设置buffer_full是否会在编译器或硬件中显示在代码之前被重新排序？ - PaulH

Answer 1

我理解您的问题是询问编译器是否可以重新排列对buffer_full的赋值和fill_buffer()以及read_buffer()的调用。这样的优化（以及任何优化）仅在不改变程序的外部可观察行为时才允许。

在这种情况下，由于buffer_full具有外部链接，编译器可能无法确定优化是否被允许。如果fill_buffer()和use_buffer()函数的定义以及它们调用的每个函数的定义等都与writer_thread()和reader_thread()函数在同一翻译单元中，那么它可能能够这样做，但这取决于它们的实现。如果符合标准的编译器不能确定是否允许优化，则必须不执行该优化。

然而，鉴于您的命名意味着这两个函数将在不同的线程中运行，因此，如果没有同步操作（例如内存屏障），则不能确保一个线程将如何感知另一个线程执行的共享、非_Atomic、非volatile数据的修改的相对顺序。

此外，如果一个线程写入一个非原子变量并且另一个线程访问同一变量（读或写），则除非在每个可能的操作顺序中两者之间进行同步操作或原子操作，否则存在数据竞争。 volatile 变量在这里并没有真正帮助（参见为什么在多线程 C 或 C++ 编程中不认为 volatile 有用？）。然而，如果您将 buffer_full 设为原子变量，或者使用其上的原子读写操作来实现函数，则可以避免涉及该变量以及 buffer 的数据竞争（对于当前的代码结构）。

- John Bollinger

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在上一条评论中，我意思是“volatile”，而不是“atomic”。请注意更正。 - PaulH

我在问题中添加了一个假设，即这是唯一访问“buffer”和“buffer_full”的2个线程。鉴于此，是否仍需要互斥锁？如果需要，您能帮助我理解为什么吗？ - PaulH

@PaulH，@PaulH，将其中一个或两个变量设置为volatile可以确保一个线程对该变量的写入通过另一个线程的读取被看到，并确保不会对所标记的变量进行重新排序操作。然而，这似乎不会产生您实际想要的语义：阅读线程未能实际读取或写入线程未能实际写入真的可以吗？通常在这种构造中，您希望读取器等待直到它可以读取，或者写入器等待直到它可以写入。这就是互斥锁所提供的内容。 - John Bollinger

@PaulH，就标准而言，即使使用volatile对象，仍然存在数据竞争。对buffer_full的读取和修改是“冲突”的操作。如果这些操作由不同的线程执行，至少有一个不是原子性的，则在执行的每个可能的总体顺序中，除非在读取和写入之间进行同步操作，否则构成数据竞争。这比我之前写的要具体一些--我会更新我的答案。 - John Bollinger

@PaulH，我已经更新了我的答案。至于硬件乱序执行，如果您的程序没有展现出未定义行为（特别是包括任何由数据竞争引起的行为），那么符合规范的编译器将会生成在目标环境下表现符合规范的代码。CPU级别的行为是它的问题，而不是你的问题——这也是选择C语言而不是汇编语言的原因之一。 - John Bollinger