为什么gcc没有优化全局变量？

Question

我试图通过一个例子来理解C中volatile和编译器优化的行为。

为此，我提到：

哪里用volatile？

为什么C需要挥发性？

https://software.intel.com/en-us/blogs/2007/11/30/volatile-almost-useless-for-multi-threaded-programming

以上所有帖子都至少有一个与信号处理程序相关的答案，为此，我编写了一个简单的代码来实际实现并观察Linux中的行为只是为了理解。

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

int counter = 0;

void *thread0_func(void *arg)
{
    printf("Thread 0\n");
    while(1)
    {

    }
    return NULL;
}

void *thread1_func(void *arg)
{
    printf("Thread 1\n");
    while(counter == 0)
    {
        printf("Counter: %d\n", counter);
        usleep(90000);
    }
    return NULL;
}

void action_handler(int sig_no)
{
    printf("SigINT Generated: %d\n",counter);
    counter += 1;
}

int main(int argc, char **argv)
{
    pthread_t thread_id[2];

    struct sigaction sa;

    sa.sa_handler = action_handler;

    if(sigaction(SIGINT, &sa, NULL))
        perror("Cannot Install Sig handler");


    if(pthread_create(&thread_id[0], NULL, thread0_func, NULL))
    {
        perror("Error Creating Thread 0");
    }
    if(pthread_create(&thread_id[1], NULL, thread1_func, NULL))
    {
        perror("Error Creating Thread 0");
    }
    else
    {

    }
    while(1)
    {
        if(counter >= 5)
        {
            printf("Value of Counter is more than five\n");
        }
        usleep(90000);
    }
    return (0);
}

此代码仅供学习和理解。

我尝试使用以下代码编译代码：
gcc -O3 main.c -o main -pthread

但是编译器没有对全局变量counter ，也没有对其进行优化。
我期待*thread1_func在永久循环中执行而if (counter >= 5)永远不会为真。

我在这里错过了什么？

GCC版本： gcc version 5.4.0 20160609 (Ubuntu 5.4.0-6ubuntu1~16.04.4)

Answer 1

你对counter值的if测试中穿插了对usleep和printf调用。 这些是不透明的库调用。 编译器无法透视它们，因此必须假设它们可以访问counter外部变量，因此必须在这些调用之后重新加载counter变量。

如果您将这些调用移出，代码将按预期进行优化：

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

int counter = 0;

void *thread0_func(void *arg)
{
    printf("Thread 0\n");
    while(1)
    {

    }
    return NULL;
}

void *thread1_func(void *arg)
{
    printf("Thread 1\n");
    unsigned i=0;
    while(counter == 0)
    {
       i++;
    }
    printf("Thread 1: %d, i=%u\n", counter, i);
    return NULL;
}

void action_handler(int sig_no)
{
    printf("SigINT Generated: %d\n",counter);
    counter += 1;
}

int main(int argc, char **argv)
{
    pthread_t thread_id[2];

    struct sigaction sa;

    sa.sa_handler = action_handler;

    if(sigaction(SIGINT, &sa, NULL))
        perror("Cannot Install Sig handler");


    if(pthread_create(&thread_id[0], NULL, thread0_func, NULL))
    {
        perror("Error Creating Thread 0");
    }
    if(pthread_create(&thread_id[1], NULL, thread1_func, NULL))
    {
        perror("Error Creating Thread 0");
    }
    else
    {

    }
    while(1)
    {
        if(counter >= 5)
        {
            printf("Value of Counter is more than five\n");
        }
        usleep(90000);
    }
    return (0);
}

即使你使计数器变量为static ，编译器仍然不会优化，因为虽然外部库肯定不会看到计数器变量，但外部调用理论上可能有一个互斥锁，这将允许另一个线程更改变量而不数据竞赛。 现在，无论是usleep还是printf都没有围绕互斥锁的包装，但编译器不知道，也不进行线程间优化，所以它必须保守并在调用后重新加载计数器变量，重载是阻止您期望的优化。

当然，一个简单的解释是，你的程序是不确定的，如果信号处理程序执行，因为你应该所做的counter volatile sig_atomic_t ，你应该已经有同步您的线程间访问它与任何_Atomic或互斥-在一个未定义的程序中，一切皆有可能。