C ++编译器如何确保在不同的线程上安全地使用不同但相邻的内存位置？

Question

可以说我有一个结构：

struct Foo {
  char a;  // read and written to by thread 1 only
  char b;  // read and written to by thread 2 only
};

根据我的理解，当两个线程在两个不同的内存位置上运行时，C ++标准保证了上述的安全性。

我想尽管如此，因为char a和char b属于同一个缓存行，所以编译器必须进行额外的同步。

这到底发生了什么？

Answer 1

这取决于硬件。 在我熟悉的硬件上，C ++不需要做任何特殊的事情，因为从硬件角度来看，即使在缓存行上访问不同的字节也是“透明地”处理的。 从硬件上看，这种情况并没有什么不同

char a[2];
// or
char a, b;

在上面的例子中，我们讨论的是两个相邻的对象，保证可以独立访问。

但是，我把'透明'放在引号中是有原因的。 当你真的有这样的情况时，你可能会因为“错误共享”而遭受（性能方面的） - 当两个（或更多）线程同时访问相邻内存并且最终被缓存在几个CPU的缓存中时会发生这种情况。 这导致持续的高速缓存失效。 在现实生活中，应该注意尽可能防止这种情况发生。

Answer 2

正如其他人所解释的那样，在通用硬件上没有特别之处 但是，有一个问题：编译器必须避免执行某些优化，除非它可以证明其他线程不访问有问题的内存位置，例如：

std::array<std::uint8_t, 8u> c;

void f()
{
    c[0] ^= 0xfa;
    c[3] ^= 0x10;
    c[6] ^= 0x8b;
    c[7] ^= 0x92;
}

这里，在单线程内存模型中，编译器可以发出如下代码（伪程序集;假设小端硬件）：

load r0, *(std::uint64_t *) &c[0]
xor r0, 0x928b0000100000fa
store r0, *(std::uint64_t *) &c[0]

在普通硬件上，这可能比单个字节更快。 但是，它在索引1,2,4和5处读取和写入c的未受影响（和未提及的）元素。如果其他线程同时写入这些存储器位置，则可以覆盖这些更改。

因此，在多线程内存模型中，这些优化通常无法使用。 只要编译器仅执行匹配长度的加载和存储，或者仅在没有间隙时合并访问（例如，仍然可以合并对c[6]和c[7]的访问），硬件通常已经提供了必要的保证正确执行。

（也就是说，有一些架构具有弱且违反直觉的内存顺序保证，例如DEC Alpha不像其他架构那样跟踪指针作为数据依赖关系，因此有必要在某些架构中引入显式内存屏障的情况下，在低级别的代码，有是一个有些知名的小咆哮由Linus Torvalds在这个问题上 。但是，标准的C ++实现预期从这样的问题保护你。）