我需要内存屏障吗？

Question

在下面的 C99 示例中，是否保证在读取或写入缓冲区后设置 buffer_full 标志（即使启用了 -O2 优化）？或者，我是否需要内存屏障来确保正确排序？

我希望这将在对齐的 32 位读取和写入是原子的系统上运行。

假设每个线程只有一个实例正在运行，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;
    }
}

Answer 1

我认为您是在询问编译器是否可以通过调用fill_buffer() 和read_buffer() 来重新排序对buffer_full 的赋值。只有在不改变程序的外部可观察行为的情况下，才允许这样的优化（以及任何优化）。

在这种情况下，因为buffer_full 具有外部链接，所以编译器不太可能确定是否允许优化。如果 fill_buffer() 和 use_buffer() 函数的定义，以及它们自己调用的每个函数的定义，etc，它可能会这样做。与writer_thread() 和reader_thread() 函数在同一个翻译单元中，但这在某种程度上取决于它们的实现。如果符合标准的编译器不确定是否允许优化，则不得执行。

由于您的命名暗示这两个函数将在不同的线程中运行，但是，如果没有诸如内存屏障之类的同步操作，您就无法确定一个线程将感知的相对顺序> 对共享的、非_Atomic、非volatile 数据的修改由不同的线程执行。

此外，如果一个线程写入一个非原子变量，而另一个线程访问同一个变量（读取或写入），则存在数据竞争，除非同步操作或原子操作以所有可能的整体顺序在两者之间进行干预的操作。 volatile 变量在这里并没有真正的帮助（参见Why is volatile not considered useful in multithreaded C or C++ programming?）。但是，如果您将buffer_full 设为原子，或者如果您使用原子读写操作实现您的函数，那么这将有助于避免不仅涉及该变量，还涉及buffer 的数据竞争（对于您当前的代码结构）。