マルチスレッド化プログラムは最適化モードのままですが、-O0で正常に実行されます

簡単なマルチスレッドプログラムを次のように記述しました。

static bool finished = false;

int func()
{
    size_t i = 0;
    while (!finished)
        ++i;
    return i;
}

int main()
{
    auto result=std::async(std::launch::async, func);
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
    finished=true;
    std::cout<<"result ="<<result.get();
    std::cout<<"\nmain thread id="<<std::this_thread::get_id()<<std::endl;
}

それはでデバッグモードで正常に動作するVisual Studioのか-O0にGC Cとした後、結果をプリントアウト1秒。しかし、スタックモードになり、リリースモードまたはで何も印刷しません-O1 -O2 -O3。

非アトミック、非守ら変数にアクセスする2つのスレッドが、あるUBこの懸念finished。あなたはこれを修正するためfinishedにタイプstd::atomic<bool>を作ることができます。

私の修正：

#include <iostream>
#include <future>
#include <atomic>

static std::atomic<bool> finished = false;

int func()
{
    size_t i = 0;
    while (!finished)
        ++i;
    return i;
}

int main()
{
    auto result=std::async(std::launch::async, func);
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
    finished=true;
    std::cout<<"result ="<<result.get();
    std::cout<<"\nmain thread id="<<std::this_thread::get_id()<<std::endl;
}

出力：

result =1023045342
main thread id=140147660588864

コリルのライブデモ

誰かが「それはbool-おそらく1ビットだ」と思うかもしれません。これはどのように非アトミックにすることができますか？」（私が自分でマルチスレッド化を始めたときに行いました。）

しかし、ティアリングの欠如std::atomicがあなたに与える唯一のものではないことに注意してください。また、複数のスレッドからの読み取りと書き込みの同時アクセスが明確に定義されているため、変数の再読み取りで常に同じ値が表示されるとコンパイラが想定することはできません。

作るboolその他の問題の原因無防備、非アトミック缶：

• コンパイラーは、変数をレジスターに最適化するか、CSEの複数のアクセスを1つに最適化して、ループからロードを引き上げることを決定する場合があります。
• 変数は、CPUコア用にキャッシュされる場合があります。（実際には、CPUにはコヒーレントキャッシュがあります。これは実際の問題ではありませんが、C ++標準はatomic<bool>、memory_order_relaxedストア/ロードで機能するが機能しない非コヒーレント共有メモリでの架空のC ++実装をカバーするのに十分緩いvolatileです。実際のC ++実装では実際に機能しますが、このための揮発性はUBになります。

これが起こらないようにするには、コンパイラーに明示的に行わないように指示する必要があります。

volatileこの問題との潜在的な関係についての進化する議論について、私は少し驚いています。したがって、私は私の2セントを費やしたいと思います。

• スレッドで揮発性です
• 大きくて悪い最適化コンパイラを恐れているのは誰ですか？。

Scheffの答えは、コードを修正する方法を説明しています。この場合、実際に何が起こっているかについて少し情報を追加したいと思いました。

最適化レベル1（）を使用して、コードをgodboltでコンパイルしました-O1。関数は次のようにコンパイルされます。

func():
  cmp BYTE PTR finished[rip], 0
  jne .L4
.L5:
  jmp .L5
.L4:
  mov eax, 0
  ret

それで、ここで何が起こっているのですか？まず、比較があります：cmp BYTE PTR finished[rip], 0-これfinishedはがfalseかどうかをチェックします。

false（別名true）でない場合は、最初の実行でループを終了する必要があります。これが達成さによってjne .L4どのjは umps N OT EのラベルにQUAL .L4の値は、ここでi（0）後の使用および機能が戻るためのレジスタに格納されます。

ただし、それが偽の場合は、

.L5:
  jmp .L5

これは無条件のジャンプであり、.L5偶然にもジャンプコマンド自体にラベルを付けます。

つまり、スレッドは無限ビジーループに入ります。

なぜこれが起こったのですか？

オプティマイザに関する限り、スレッドはその対象外です。他のスレッドが同時に変数を読み書きしていないことを前提としています（データレースUBであるため）。アクセスを離れて最適化できないことを伝える必要があります。これがScheffの答えが出てくるところです。私は彼を繰り返すことに迷惑を掛けません。

オプティマイザは、finished変数が関数の実行中に変更される可能性があることを知らされていないため、finished関数自体によって変更されていないことがわかり、定数であると想定します。

最適化されたコードは、定数のブール値を使用して関数を入力した結果として生じる2つのコードパスを提供します。ループが無限に実行されるか、ループが実行されることはありません。

で、-O0（予想通り）コンパイラ離れループ本体との比較を最適化しません。

func():
  push rbp
  mov rbp, rsp
  mov QWORD PTR [rbp-8], 0
.L148:
  movzx eax, BYTE PTR finished[rip]
  test al, al
  jne .L147
  add QWORD PTR [rbp-8], 1
  jmp .L148
.L147:
  mov rax, QWORD PTR [rbp-8]
  pop rbp
  ret

したがって、最適化されていない関数が機能する場合、コードとデータ型が単純であるため、ここでの原子性の欠如は通常問題ではありません。おそらく、ここで遭遇する可能性のある最悪の事態は、本来あるべき値からi1つずれた値です。

データ構造を備えたより複雑なシステムは、データの破損や不適切な実行を引き起こす可能性がはるかに高くなります。

学習曲線を完全にするために; グローバル変数の使用は避けてください。あなたはそれを静的にすることで良い仕事をしたので、それは翻訳単位に対してローカルになります。

次に例を示します。

class ST {
public:
    int func()
    {
        size_t i = 0;
        while (!finished)
            ++i;
        return i;
    }
    void setFinished(bool val)
    {
        finished = val;
    }
private:
    std::atomic<bool> finished = false;
};

int main()
{
    ST st;
    auto result=std::async(std::launch::async, &ST::func, std::ref(st));
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
    st.setFinished(true);
    std::cout<<"result ="<<result.get();
    std::cout<<"\nmain thread id="<<std::this_thread::get_id()<<std::endl;
}

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