volatile 变量而不是互斥保护变量来检查更改的数据

Question

我有一个基本上可以做到的线程：

int changed; //global variable
..

for (;;) {
   pthread_mutex_lock(&mtx);
   if (changed) {
       do_changes();
       changed = 0;
   }
   pthread_mutex_unlock(&mtx);

   do_stuff();

}

循环每秒运行几十万次，而全局变量changed 很少被另一个线程设置（一天几次）。

改成

volatile int changed; //global variable
..

for (;;) {

   if (changed) {
       pthread_mutex_lock(&mtx);
       do_changes();
       changed = 0;
       pthread_mutex_unlock(&mtx);
   }
   do_stuff();
}

我可以用这种方法测量循环性能提高 3-4%，值得追求。

然而 volatile 变量似乎被严重劝阻。 这里的方法有什么缺点吗？任何可能导致 2. 版本无法按预期工作的极端情况？

Answer 1

volatile 不会使您的变量线程安全或原子。您可能想使用C11 atomics。

您基本上有两个线程更改 changed 变量，从而覆盖以前的值导致数据竞争。

我不能推荐足够的观看atomic Weapons: The C++ Memory Model and Modern Hardware。 （它也适用于 C）。

Answer 2

如果您使用支持它们的 C11 环境，您可以使用atomic variables。如果您的系统支持它，它们会使用特殊指令来实现原子性，而不是锁定。如果您的系统不支持，它们会使用锁（标志类型始终是无锁的）。

如果您没有 C11，但您有 GCC 兼容的编译器，请参阅 sync 系列函数。它与 C11 原子变量类似（但较旧），但如果您的系统不支持它们，它们会生成函数调用。

Answer 3

作者：然而 volatile 变量似乎被严重劝阻。这里的方法有什么缺点吗？任何可能导致 2. 版本无法按预期工作的极端情况？

首先：当您想使用volatile 时，请再考虑一下是否不需要atomics。 现在看看会发生什么：

1) 如果在多个线程中有循环，则不安全。您可以考虑复制支票：

if (changed) { // quick check
   pthread_mutex_lock(&mtx);
   if (changed) { // another thread could do the work
       ...

2) 如果您的代码对于看到它已更改至关重要，则需要使用原子，因为 pthread_mutex_lock 之前的 if(changed) 可能因为缓存而看不到它。

3) 它可以在 x86(_64) 上使用强内存排序和原子 int 访问，但在其他架构上失败。这就是为什么不鼓励volatile 使用原子（并养成它的习惯）的原因。 volatile 不强制使用原子或任何其他同步。原子做（读-修改-写指令）。

std::atomic_flag validated;
std::mutex mx; struct MyData { ... } data;
void change() {
    lock_guard<mutex> lock(mx);
    data.something();
    validated.clear();
}
void validate() {
    if(!validated.test_and_set()) {
        lock_guard<mutex> lock(mx);
        data.update();
    }
}

注意：除非您持有锁并为其使用另一个变量，否则您永远无法确定数据是否有效。

4) 只需使用 pthread_spinlock_t 尝试您的原始代码

5) 小建议：除非你真的知道自己在做什么，否则不要用同步来扮演上帝。您可以从互斥锁切换到自旋锁（由其他人编写）并进行一些基准测试。

关于编辑和 cmets： 最初的答案只是从 1) 开始。事实证明，有些人既没有阅读完整的问题，也没有阅读完整的答案。可怜那些快速投票的人。这个网站不是 facebook，这些投票应该是 有帮助 或 没有帮助，这些赞成/反对票不是 facebook 上的喜欢和不喜欢！我可能不同意其他答案的某些部分，但仍然认为它们有帮助，虽然不完整（没有回答完整的问题，但只是部分回答）或部分不正确（如果我们知道我们可以毫无问题地做到这一点，那么从多个线程向变量写入相同的值并没有什么不好）。

Answer 4

最好将其设置为 volatile 以确保编译器不会进行不需要的优化，但它不会使其成为原子。

如果有更多线程读取“已更改”，则当有另一个线程等待执行 do_changes() 时，可能会发生一个线程将“已更改”更新为 0，这将在互斥锁被释放后发生，因为条件已被评估。

如果您想避免这种情况，请将 if 语句移动到互斥保护空间内。

希望这会有所帮助。

卡尔斯。