奇怪的循环缓冲区行为答案

【问题标题】：Strange Circular Buffer behaviour奇怪的循环缓冲区行为
【发布时间】：2015-09-11 14:45:48
【问题描述】：

我实现了一个单生产者单消费者无锁循环缓冲区。参考实现位于：http://home.comcast.net/~lang.dennis/code/ring/ring.html（基线实现，从顶部开始的第一个列表）。

编辑：供参考原代码：

template <class T, size_t RingSize>
class RingBuffer
{
public:
RingBuffer(size_t size = 100) 
    : m_size(size), m_buffer(new T[size]), m_rIndex(0), m_wIndex(0) 
    { assert(size > 1 && m_buffer != NULL); }

~RingBuffer() 
    { delete [] m_buffer; };

size_t Next(size_t n) const 
    { return (n+1)%m_size; }
bool Empty() const 
    { return (m_rIndex == m_wIndex); }
bool Full() const
    { return (Next(m_wIndex) == m_rIndex); }

bool Put(const T& value)
{
    if (Full()) 
        return false;
    m_buffer[m_wIndex] = value;
    m_wIndex = Next(m_wIndex);
    return true;
}

bool Get(T& value)
{
    if (Empty())
        return false;
    value = m_buffer[m_rIndex];
    m_rIndex = Next(m_rIndex);
    return true;
}

private:
T*              m_buffer;
size_t          m_size;

// volatile is only used to keep compiler from placing values in registers.
// volatile does NOT make the index thread safe.
volatile size_t m_rIndex;   
volatile size_t m_wIndex;
};

Mod：我将读写索引存储在局部变量中，并且只在表达式中使用局部变量。我在从函数（get 和 put）返回之前更新它们。

为清楚起见，get 函数：

bool Get(T& value)
 {
    size_t w=m_wIndex;
    size_t r=m_rIndex;
    if (Empty(w,r))
        return false;
    value = m_buffer[r];
    //just in case the compiler decides to be extra smart
    compilerbarrier();
    m_rIndex = Next(r);
    return true;
 }

然后，我创建了单独的生产者和消费者线程：

生产者线程循环：

uint64_t i = 0;
while (i <= LOOPS) {
 if (buf.put(i)) {
  i += 1;
 }
}
consumerthread.join(); //pseudocode: wait for the consumer to finish

消费者线程循环：

uint64_t i=0;
while (i < LOOPS) {
 buf.get(i);
}

生产者将整数 [0, LOOPS] 放入缓冲区，消费者从缓冲区中一次获取一个，直到最终获得整数值 LOOPS，消费者循环终止。请注意，缓冲区的大小远小于 LOOPS。

如果我为读写索引保留 volatile 关键字，整个事情就像一个魅力。消费者循环终止，生产者返回。

但是，如果我删除 volatile 关键字，那么消费者将永远不会返回。

奇怪的是，这个消费者循环终止了：

uint64_t i=0;
while (i < LOOPS) {
 buf.get(i);
 fprintf(stderr,"%lu\n",i);
}

这个也结束了：

uint64_t i=0, j=0;
while (j < LOOPS) {
    if(buf.get(i)) {
     j=i;
    }
}

发生了什么？我使用 gcc 4.8.4 编译了代码，并在运行 Ubuntu 的 64 位 intel (i3) 机器上设置了 -O3 标志。

【问题讨论】：

请发布SSCCE：sscce.org
尝试使用 -O0 标志并报告结果。我怀疑 buf.get() 正在优化
isvolatileusefulwiththreads.com -- 使用原子而不是易失性！
@Pavan Manjunath 终止。
在此处发布源代码。 @JonathanWakely 告诉你，volatile 不适合多线程。

标签： c++ multithreading circular-buffer

【解决方案1】：

由于该问题仅在您删除 volatile 时才会出现，因此该问题很可能是由编译器优化导致的，该编译器优化了读取器线程中 m_wIndex 的读取。编译器认为它知道可能会改变该值的所有内容，因此没有理由多次从内存中读取它。

添加对 fprintf 的调用会破坏此优化，因为 fprintf 可能会修改该变量。

添加j 使您的代码更加复杂，并且似乎也破坏了优化。

【讨论】：