為什么gcc沒有優化全局變量？

Question

我試圖通過一個例子來理解C中volatile和編譯器優化的行為。

為此，我提到：

哪里用volatile？

為什么C需要揮發性？

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個與信號處理程序相關的答案，為此，我編寫了一個簡單的代碼來實際實現並觀察Linux中的行為只是為了理解。

#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);
}

此代碼僅供學習和理解。

我嘗試使用以下代碼編譯代碼：
gcc -O3 main.c -o main -pthread

但是編譯器沒有對全局變量counter ，也沒有對其進行優化。
我期待*thread1_func在永久循環中執行而if (counter >= 5)永遠不會為真。

我在這里錯過了什么？

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

Answer 1

你對counter值的if測試中穿插了對usleep和printf調用。 這些是不透明的庫調用。 編譯器無法透視它們，因此必須假設它們可以訪問counter外部變量，因此必須在這些調用之后重新加載counter變量。

如果您將這些調用移出，代碼將按預期進行優化：

#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);
}

即使你使計數器變量為static ，編譯器仍然不會優化，因為雖然外部庫肯定不會看到計數器變量，但外部調用理論上可能有一個互斥鎖，這將允許另一個線程更改變量而不數據競賽。 現在，無論是usleep還是printf都沒有圍繞互斥鎖的包裝，但編譯器不知道，也不進行線程間優化，所以它必須保守並在調用后重新加載計數器變量，重載是阻止您期望的優化。

當然，一個簡單的解釋是，你的程序是不確定的，如果信號處理程序執行，因為你應該所做的counter volatile sig_atomic_t ，你應該已經有同步您的線程間訪問它與任何_Atomic或互斥-在一個未定義的程序中，一切皆有可能。