VC ++仍然按顺序 - 一致吗？

Question

我看了（大部分） Herb Sutter的atmoic <>武器视频 ，我想用样本中的循环来测试“条件锁定”。 显然，虽然（如果我理解正确的话）C ++ 11标准说下面的例子应该正常工作并且顺序一致，但事实并非如此。

在您继续阅读之前，我的问题是：这是正确的吗？ 编译器坏了吗？ 我的代码是否被破坏 - 我在这里遇到了一个我错过的竞争条件吗？ 我该如何绕过这个？

我尝试了3种不同版本的Visual C ++：VC10专业版，VC11专业版和VC12 Express版（== Visual Studio 2013 Desktop Express）。

下面是我用于Visual Studio 2013的代码。对于其他版本，我使用boost而不是std，但想法是一样的。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>

int a = 0;
std::mutex m;

void other()
{
    std::lock_guard<std::mutex> l(m);
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(2));
    a = 999999;
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));
    std::cout << a << "\n";
}

int main(int argc, char* argv[])
{
    bool work = (argc > 1);

    if (work)
    {
        m.lock();
    }

    std::thread th(other);
    for (int i = 0; i < 100000000; ++i)
    {
        if (i % 7 == 3)
        {
            if (work)
            {
                ++a;
            }
        }
    }

    if (work)
    {
        std::cout << a << "\n";
        m.unlock();
    }

    th.join();
}

总结代码的概念：全局变量a受全局互斥锁m保护。 假设没有命令行参数（ argc==1 ），运行other()的线程是唯一一个应该访问全局变量a的线程。

程序的正确输出是打印999999。

但是，由于编译器循环优化（使用寄存器进行循环增量，并在循环结束时将值复制回a ），即使它不应该由程序集修改a 。

这发生在所有3个VC版本中，虽然在VC12的这个代码示例中，我不得不调用sleep()来使其中断。

这是一些汇编代码（此运行中的a的地址是0x00f65498 ）：

循环初始化 - 来自a值被复制到edi

    27:     for (int i = 0; i < 100000000; ++i)
00F61543  xor         esi,esi  
00F61545  mov         edi,dword ptr ds:[0F65498h]  
00F6154B  jmp         main+0C0h (0F61550h)  
00F6154D  lea         ecx,[ecx]  
    28:     {
    29:         if (i % 7 == 3)

的条件内递增，并且在循环之后复制回的位置a无条件

    30:         {
    31:             if (work)
00F61572  mov         al,byte ptr [esp+1Bh]  
00F61576  jne         main+0EDh (0F6157Dh)  
00F61578  test        al,al  
00F6157A  je          main+0EDh (0F6157Dh)  
    32:             {
    33:                 ++a;
00F6157C  inc         edi  
    27:     for (int i = 0; i < 100000000; ++i)
00F6157D  inc         esi  
00F6157E  cmp         esi,5F5E100h  
00F61584  jl          main+0C0h (0F61550h)  
    32:             {
    33:                 ++a;
00F61586  mov         dword ptr ds:[0F65498h],edi  
    34:             }

并且程序的输出为0 。

Answer 1

'volatile'关键字将阻止这种优化。 这正是它的用途：'a'的每次使用都将完全按照所示的方式读取或写入，并且不会以不同的顺序移动到其他volatile变量。

互斥锁的实现应该包括特定于编译器的指令，以便在该点引起“围栏”，告诉优化器不要跨越该边界重新排序指令。 由于实现不是来自编译器供应商，可能是遗漏了？ 我从来没有检查过。

由于'a'是全局的，我通常会认为编译器会更加小心。 但是，VS10不了解线程，所以不会考虑其他线程会使用它。 由于优化器掌握了整个循环执行，它知道从循环内调用的函数不会触及'a'，这就足够了。

我不确定新标准对于除volatile之外的全局变量的线程可见性的说法。 也就是说，是否存在一个可以阻止优化的规则（即使该函数可以一直向下掌握，因此它知道其他函数不使用全局，它是否必须假设其他线程可以）？

我建议使用编译器提供的std :: mutex来尝试更新的编译器，并检查C ++标准和当前草案的内容。 我认为以上内容可以帮助您了解要寻找什么。

-约翰

Answer 2

差不多一个月后，微软仍未对MSDN Connect中的错误做出回应。

总结一下上面的评论（以及一些进一步的测试），显然它也发生在VS2013专业版中，但是这个bug只发生在为Win32而不是x64构建时。 x64中生成的汇编代码没有此问题。 所以它似乎是优化器中的一个错误，并且此代码中没有竞争条件。

显然这个错误也发生在GCC 4.8.1中，但不是在GCC 4.9中。 （感谢Voo ， nosid和Chris Dodd的所有测试）。

有人建议，以纪念a为volatile 。 这确实可以防止错误，但这只是因为它阻止优化器执行循环寄存器优化。

我找到了另一个解决方案：添加另一个局部变量b ，如果需要（并在锁定下），请执行以下操作：

1. 将a复制到b
2. 循环中增加b
3. 如果需要，复制回a

优化取代了局部变量与寄存器，所以代码仍优化，但往返于拷贝a ，如果需要的只是完成，下锁。

这是新的main()代码，箭头标记更改的行。

int main(int argc, char* argv[])
{
    bool work = (argc == 1);

    int b = 0;          // <----

    if (work)
    {
        m.lock();
        b = a;          // <----
    }

    std::thread th(other);
    for (int i = 0; i < 100000000; ++i)
    {
        if (i % 7 == 3)
        {
            if (work)
            {
                ++b;    // <----
            }
        }
    }

    if (work)
    {
        a = b;          // <----
        std::cout << a << "\n";
        m.unlock();
    }

    th.join();
}

这就是汇编代码的样子（ &a == 0x000744b0 ， b替换为edi ）：

    21:     int b = 0;
00071473  xor         edi,edi  
    22: 
    23:     if (work)
00071475  test        bl,bl  
00071477  je          main+5Bh (07149Bh)  
    24:     {
    25:         m.lock();

         ........

00071492  add         esp,4  
    26:         b = a;
00071495  mov         edi,dword ptr ds:[744B0h]  
    27:     }
    28: 

         ........

    33:         {
    34:             if (work)
00071504  test        bl,bl  
00071506  je          main+0C9h (071509h)  
    35:             {
    36:                 ++b;
00071508  inc         edi  
    30:     for (int i = 0; i < 100000000; ++i)
00071509  inc         esi  
0007150A  cmp         esi,5F5E100h  
00071510  jl          main+0A0h (0714E0h)  
    37:             }
    38:         }
    39:     }
    40: 
    41:     if (work)
00071512  test        bl,bl  
00071514  je          main+10Ch (07154Ch)  
    42:     {
    43:         a = b;
    44:        std::cout << a << "\n";
00071516  mov         ecx,dword ptr ds:[73084h]  
0007151C  push        edi  
0007151D  mov         dword ptr ds:[744B0h],edi  
00071523  call        dword ptr ds:[73070h]  
00071529  mov         ecx,eax  
0007152B  call        std::operator<<<std::char_traits<char> > (071A80h)  

     ........

这样可以保持优化并解决（或解决）问题。