重新排序操作和無鎖數據結構

Question

假設我們有一個Container維護一組int值，以及每個值的標志，指示該值是否有效。 無效值被認為是INT_MAX 。 最初，所有值均無效。 首次訪問值時，將其設置為INT_MAX並將其標志設置為有效。

struct Container {
  int& operator[](int i) {
    if (!isValid[i]) {
      values[i] = INT_MAX; // (*)
      isValid[i] = true;   // (**)
    }
    return values[i];
  }
  std::vector<int> values;
  std::vector<bool> isValid;
};

現在，另一個線程同時讀取容器值：

// This member is allowed to overestimate value i, but it must not underestimate it.
int Container::get(int i) {
  return isValid[i] ? values[i] : INT_MAX;
}

這是完全有效的代碼，但是至關重要的是按給定的順序執行(*)和(**) 。

1. 在這種情況下，標准是否保證按給定順序執行行？ 至少從單線程的角度來看，行可以互換，不是嗎？
2. 如果沒有，最有效的方式來確保他們的訂單？ 這是高性能的代碼，所以我不能沒有-O3並且不想使用volatile 。

Answer 1

這里沒有同步。 如果您從一個線程訪問這些值，然后從另一個線程更改它們，則會出現未定義的行為。 您可能需要對所有訪問進行鎖定，在這種情況下，情況會很好。 否則，您將需要使所有std::vector元素成為atomic<T>並且可以使用適當的可見性參數來控制值的可見性。

對於同步，特別是原子操作的作用，似乎有一個誤解：它們的目的是使代碼更快！ 這可能看起來與直覺相反，因此在此進行了解釋： 非原子操作應與可能的速度一樣快，並且故意不能保證它們如何精確地訪問內存。 只要編譯器和執行系統產生正確的結果，編譯器iand系統就可以自由地執行他們需要或想要做的任何事情。 為了獲得良好的性能，假定不存在不同線程之間的交互。

但是，在並發系統中，線程之間存在交互。 這是原子操作進入階段的地方：它們允許確切說明所需的必要同步 。 因此，它們允許告訴編譯器必須遵循的最小約束，以使線程正確操作無誤。 編譯器將使用這些指示符來生成最佳代碼，以實現指定的目標。 該代碼可能與不使用任何同步的代碼相同，盡管在實踐中通常還需要防止CPU重新排序操作。 結果，正確使用同步會導致最高效的代碼，而只有絕對必要的開銷。

棘手的部分是在某種程度上找到需要哪些同步並將其最小化。 完全沒有任何內容將使編譯器和CPU自由地對操作進行重新排序，並且將無法工作。

由於提到的問題volatile請注意， volatile與並發完全無關！ volatile的主要目的是通知系統地址指向其訪問可能有副作用的內存。 首先，它用於使內存映射的I / O或硬件控制可訪問。 死於副作用的可能是C ++定義程序語義的兩個方面之一（另一個是使用標准庫I / O設施的I / O）。