std::atomic
existe porque muitos ISAs têm suporte direto de hardware para ele
O que o padrão C ++ diz sobre std::atomic
foi analisado em outras respostas.
Então agora vamos ver o que std::atomic
compila para obter um tipo diferente de insight.
O principal argumento desse experimento é que as CPUs modernas têm suporte direto para operações inteiras atômicas, por exemplo, o prefixo LOCK em x86, e std::atomic
existem basicamente como uma interface portátil para essas instruções : O que a instrução "lock" significa na montagem do x86? No aarch64, o LDADD seria usado.
Esse suporte permite alternativas mais rápidas a métodos mais gerais, como std::mutex
, o que pode tornar mais complexas as seções multi-instruções atômicas, ao custo de ser mais lento do que std::atomic
porque std::mutex
faz futex
chamadas de sistema no Linux, que é muito mais lento que as instruções da terra do usuário emitidas por std::atomic
, veja também: std :: mutex cria uma cerca?
Vamos considerar o seguinte programa multiencadeado que incrementa uma variável global em vários encadeamentos, com diferentes mecanismos de sincronização, dependendo de qual definição do pré-processador é usada.
main.cpp
#include <atomic>
#include <iostream>
#include <thread>
#include <vector>
size_t niters;
#if STD_ATOMIC
std::atomic_ulong global(0);
#else
uint64_t global = 0;
#endif
void threadMain() {
for (size_t i = 0; i < niters; ++i) {
#if LOCK
__asm__ __volatile__ (
"lock incq %0;"
: "+m" (global),
"+g" (i) // to prevent loop unrolling
:
:
);
#else
__asm__ __volatile__ (
""
: "+g" (i) // to prevent he loop from being optimized to a single add
: "g" (global)
:
);
global++;
#endif
}
}
int main(int argc, char **argv) {
size_t nthreads;
if (argc > 1) {
nthreads = std::stoull(argv[1], NULL, 0);
} else {
nthreads = 2;
}
if (argc > 2) {
niters = std::stoull(argv[2], NULL, 0);
} else {
niters = 10;
}
std::vector<std::thread> threads(nthreads);
for (size_t i = 0; i < nthreads; ++i)
threads[i] = std::thread(threadMain);
for (size_t i = 0; i < nthreads; ++i)
threads[i].join();
uint64_t expect = nthreads * niters;
std::cout << "expect " << expect << std::endl;
std::cout << "global " << global << std::endl;
}
GitHub upstream .
Compilar, executar e desmontar:
comon="-ggdb3 -O3 -std=c++11 -Wall -Wextra -pedantic main.cpp -pthread"
g++ -o main_fail.out $common
g++ -o main_std_atomic.out -DSTD_ATOMIC $common
g++ -o main_lock.out -DLOCK $common
./main_fail.out 4 100000
./main_std_atomic.out 4 100000
./main_lock.out 4 100000
gdb -batch -ex "disassemble threadMain" main_fail.out
gdb -batch -ex "disassemble threadMain" main_std_atomic.out
gdb -batch -ex "disassemble threadMain" main_lock.out
Saída de condição de corrida "incorreta" extremamente provável para main_fail.out
:
expect 400000
global 100000
e saída "certa" determinística dos outros:
expect 400000
global 400000
Desmontagem de main_fail.out
:
0x0000000000002780 <+0>: endbr64
0x0000000000002784 <+4>: mov 0x29b5(%rip),%rcx # 0x5140 <niters>
0x000000000000278b <+11>: test %rcx,%rcx
0x000000000000278e <+14>: je 0x27b4 <threadMain()+52>
0x0000000000002790 <+16>: mov 0x29a1(%rip),%rdx # 0x5138 <global>
0x0000000000002797 <+23>: xor %eax,%eax
0x0000000000002799 <+25>: nopl 0x0(%rax)
0x00000000000027a0 <+32>: add $0x1,%rax
0x00000000000027a4 <+36>: add $0x1,%rdx
0x00000000000027a8 <+40>: cmp %rcx,%rax
0x00000000000027ab <+43>: jb 0x27a0 <threadMain()+32>
0x00000000000027ad <+45>: mov %rdx,0x2984(%rip) # 0x5138 <global>
0x00000000000027b4 <+52>: retq
Desmontagem de main_std_atomic.out
:
0x0000000000002780 <+0>: endbr64
0x0000000000002784 <+4>: cmpq $0x0,0x29b4(%rip) # 0x5140 <niters>
0x000000000000278c <+12>: je 0x27a6 <threadMain()+38>
0x000000000000278e <+14>: xor %eax,%eax
0x0000000000002790 <+16>: lock addq $0x1,0x299f(%rip) # 0x5138 <global>
0x0000000000002799 <+25>: add $0x1,%rax
0x000000000000279d <+29>: cmp %rax,0x299c(%rip) # 0x5140 <niters>
0x00000000000027a4 <+36>: ja 0x2790 <threadMain()+16>
0x00000000000027a6 <+38>: retq
Desmontagem de main_lock.out
:
Dump of assembler code for function threadMain():
0x0000000000002780 <+0>: endbr64
0x0000000000002784 <+4>: cmpq $0x0,0x29b4(%rip) # 0x5140 <niters>
0x000000000000278c <+12>: je 0x27a5 <threadMain()+37>
0x000000000000278e <+14>: xor %eax,%eax
0x0000000000002790 <+16>: lock incq 0x29a0(%rip) # 0x5138 <global>
0x0000000000002798 <+24>: add $0x1,%rax
0x000000000000279c <+28>: cmp %rax,0x299d(%rip) # 0x5140 <niters>
0x00000000000027a3 <+35>: ja 0x2790 <threadMain()+16>
0x00000000000027a5 <+37>: retq
Conclusões:
a versão não atômica salva o global em um registro e incrementa o registro.
Portanto, no final, muito provavelmente quatro gravações retornam ao global com o mesmo valor "errado" de 100000
.
std::atomic
compila para lock addq
. O prefixo LOCK faz a seguinte inc
busca, modificação e atualização da memória atomicamente.
nosso prefixo LOCK explícito do assembly embutido é compilado quase da mesma maneira que std::atomic
, exceto que o nosso inc
é usado em vez de add
. Não sei por que o GCC escolheu add
, considerando que nosso INC gerou uma decodificação 1 byte menor.
O ARMv8 poderia usar LDAXR + STLXR ou LDADD em CPUs mais recentes: Como inicio threads em C simples?
Testado no Ubuntu 19.10 AMD64, GCC 9.2.1, Lenovo ThinkPad P51.
a.fetch_add(12)
se quiser um RMW atômico.