Instruction reordering on intel

Question

我正在尝试通过以下简单的示例来理解指令重排：

int a;
int b;

void foo(){
   a = 1;
   b = 1;
}

void bar(){
   while(b == 0) continue;
   assert(a == 1);
}

在这个例子中，如果一个线程执行foo，另一个线程执行bar，断言可能会失败。但我不明白为什么会这样。我查阅了Intel手册Vol. 3A, 8.2.2，发现如下内容：

对内存的写入操作不会与其他写入操作重排序，但以下情况除外：

—使用非临时移动指令（MOVNTI、MOVNTQ、MOVNTDQ、MOVNTPS和MOVNTPD）执行的流式存储（写入）；以及

—字符串操作（参见第8.2.4.1节）。

这里没有字符串操作，也没有发现NT的移动指令。那么...为什么会出现写入重排序？

还是说，

对内存的写入操作不会被重排序？

因此，当我们将a和b缓存起来，并且写入操作并不是针对主存而是针对缓存时，它们可以重排序。

- St.Antario

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你为什么认为a和b会被存储在内存中？在C++语言中并没有这样的要求，在极端情况下，编译器可能会生成仅将这两个变量存储在寄存器中的代码（例如）。 - Ped7g

没问题，寻找正确的问题是过程的一部分，有时这个过程需要像这样的步骤。 :) 但是这个主题可能相当棘手，所以你需要更精确才能得到有意义的答案。 - Ped7g

这实际上是C还是C++，还是你实际上在询问按那个顺序执行这些操作的汇编？因为显然这在C中是未定义的，而C内存模型适用于编译时重新排序和负载提升，而不是x86内存模型。如果我没记错的话，你在以前的问题中做过这件事，并浪费了每个人的时间来解决C与x86内存模型的区别，请在问题中明确指出您实际上是否意味着汇编看起来像这样。显然，如果进入循环，任何正常的C编译器都会使while(b == 0){}成为无限循环。 - Peter Cordes

@PeterCordes，实际上由于存储缓冲区和高速缓存一致性问题，另一个线程观察到了foo所做的写入顺序不同。然而，在我引用的手册中明确指出，对内存的写入不能与其他写入重新排序。 - St.Antario

如果您实际上按照x86汇编中的意思进行操作，那么看到 b!=0 将确保您也看到 a==1，因为 mov [b], 1 是释放存储（与除NT之外的所有x86存储一样），因为x86要求存储以程序顺序从存储缓冲区提交到 L1d。（因此不允许重新排序。只有在编译时重新排序才会在x86上破坏此示例）。但是，如果编译了此无效的C代码，则情况并非如此。您是否声称您实际上重现了所述的重新排序？如果是这样，请发布一个[mcve]。 - Peter Cordes

Answer 1

如果一个线程正在运行foo，而另一个线程正在运行bar，那么您的程序的行为将是未定义的。

您不被允许在非原子变量（例如int）上进行同时读写操作。

因此，在这种情况下可以进行指令重排序。

- Bathsheba

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如果它们对齐相应的话...但无论如何都是未定义行为。 - St.Antario

是的，我同意对齐。但是我在代码中没有看到任何覆盖默认对齐方式的编译指示。因此，假设int的自然对齐方式。在这种情况下，我没有看到任何未定义行为。当然，需要强制编译器不要重新排序“a=1，b=1”。 - RbMm

Answer 2

您的前提是错误的。只有编译时重新排序才能在x86上破坏此示例。

x86汇编存储是释放存储。它们只能按程序顺序从存储缓冲区提交到L1d高速缓存中。

在b=1可见之后，a不能仍然处于共享状态；这意味着运行foo的线程让其存储无序提交。对于可缓存内存的存储，这就是“内存写入不与其他写入重排序”的含义。

如果在被运行foo的线程的RFO使其失效后再次处于共享状态，则其将具有a的更新值。

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注脚1. 当然，自旋循环将优化为if（b == 0）infinite_loop，因为数据竞争UB使编译器提升了负载。请参见 MCU编程-C ++ O2优化破坏while循环。

您似乎在询问C规则，同时假设代码将被直接转换为x86汇编语言。您可以通过松散的原子操作获得这一点，但不能使用volatile，因为volatile访问无法与其他volatile访问（在编译时）重新排序。

- Peter Cordes

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就像我之前说的那样，当时我意思是提供x86汇编代码示例，但是却错误地提供了一份 C 代码示例。 - St.Antario

@St.Antario：我重新添加了C标签，因为这是我能想到的你声称“在这个例子中，已知断言可能失败”的唯一原因。请参阅http://preshing.com/20120930/weak-vs-strong-memory-models/和http://preshing.com/20120625/memory-ordering-at-compile-time/。 - Peter Cordes