如何在 x86 上使用 gcc 强制执行内存排序

Question

我想在线程（gcc、Linux、x86）之间共享一个数据结构。 假设我在线程 A 中有以下代码：

shared_struct->a = 1;
shared_struct->b = 1;
shared_struct->enable = true;

线程 B 是一个周期性任务，它首先检查该结构的 enable 标志。

我认为编译器可以重新排序线程 A 中的写入，因此线程 B 可以看到不一致的数据。我熟悉 ARM 上的内存屏障，但是如何确保 x86 上的写入顺序？有没有比 volatile 更好的方法？

我只想在结构中设置一个一致的状态，将所有内容“刷新”到内存并在最后设置一个启用标志。

Answer 1

如果您只需要能够设置enable = true，那么stdatomic.h 带有发布/获取顺序就可以满足您的要求。 （在 x86 asm 中，正常的存储/加载具有释放/获取语义，所以是的，阻塞编译时重新排序就足够了。但正确的方法是使用 atomic，而不是 volatile。）

但是如果您希望能够在修改enable = false 时再次“锁定”阅读器，那么您需要一个更复杂的更新模式。要么用原子手动重新发明互斥锁（坏主意；使用标准库互斥锁代替），要么做一些事情，当没有编写器处于更新过程中时，允许多个读取器进行无等待的只读访问。

RCU a 或 seqlock 在这里都可以。

对于 seqlock，您有一个序列号，而不是 enable = true/false 标志。读取器可以通过在读取其他成员之前和之后再次检查序列号来检测“撕裂”写入。 （但是所有成员都必须是atomic，至少使用mo_relaxed，否则即使您丢弃该值，只要在C中读取它们就是数据竞争未定义的行为。您还需要对检查的负载进行足够的排序计数器。例如，可能在第一个上获取，然后在 shared_struct->b 加载时获取，以确保序列号的第二次加载在它之后排序。（acquire 只是一个单向障碍：获取加载之后轻松的负荷无法满足您的需求。）

RCU 使阅读器始终完全无需等待；他们只是取消引用指向当前有效结构的指针。更新就像原子地替换指针一样简单。回收旧结构是复杂的地方：在重用它之前，您必须确保每个读取器线程都已完成读取内存块。

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在更改其他结构成员之前简单地设置enable = false 不会阻止读者看到enable == true，然后在作者修改它们时看到其他成员的不一致/部分更新的值。如果您不需要这样做，但只释放新对象以供其他线程访问，那么您描述的序列对atomic_store_explicit(&foo->enable, true, memory_order_release) 很好。

Answer 2

你真的应该使用互斥体（因为你提到了Pthread），所以在shared_struct 中添加一个pthread_mutex_lock mtx; 字段（不要忘记用pthread_mutex_init 初始化它）然后

pthread_mutex_lock(&shared_struct->mtx);
shared_struct->a = 1;
shared_struct->b = 1;
shared_struct->enable = true;
pthread_mutex_unlock(&shared_struct->mtx);

在访问该共享数据的任何其他代码中也是如此。

您也可以查看atomic operations（但在您的情况下，您最好使用mutex，如上所示）。

阅读一些pthread tutorial。

避免使用race conditions 和undefined behavior。

如何确保写入顺序

你不要这样做，除非你正在实现一个线程库（然后它的某些部分应该在汇编器中编码并使用futex(7)），例如nptl(7) 的实现GNU 中的 987654328@ glibc（或 musl-libc）。您应该使用互斥锁，并且不想浪费时间来实现线程库（所以使用现有的）。

请注意，Linux 上的大多数 C 标准库（包括 glibc 和 musl-libc）都是 free software，因此您可以研究它们的源代码（如果您想了解 Pthread 互斥锁是如何实现的，等等）。

编译器可以重新排序写入

主要不是（当然不仅是）编译器，而是硬件。阅读cache coherence。并且操作系统也可能参与其中（futex(2) 有时由 pthread 互斥例程调用）。