一位读者。一位作家。关于互斥体和原子内置函数的一些常见问题

Question

我有一个父线程和一个共享 bool 标志和 std::vector 的工作线程。父级仅读取（即读取 bool 或调用 my_vector.empty()）；工人只写。

我的问题：

• 我需要互斥保护布尔标志吗？

• 我可以说所有布尔读/写本质上都是原子操作吗？如果您回答“是”或“否”，您从哪里获得信息？

• 我最近听说了GCC Atomic-builtin。我可以使用它们使我的标志读/写原子化而不必使用互斥体吗？有什么区别？我知道原子内置函数可以归结为机器代码，但即使互斥体也可以归结为 CPU 的内存屏障指令，对吧？为什么人们称互斥体为“操作系统级”构造？

• 我需要互斥保护我的 std::vector 吗？回想一下，工作线程填充此向量，而父线程仅对其调用empty()（即，仅读取它）

• 我不认为布尔值或向量都需要互斥保护。我合理化如下：“好吧，如果我在更新之前读取共享内存......那也没关系，我下次会得到更新的值。更重要的是，我不明白为什么编写器应该被阻止阅读就是阅读，因为毕竟，读者只是阅读！”

如果有人能指出我正确的方向，那就太好了。我使用的是 GCC 4.3 和 Intel x86 32 位。 多谢！

Answer 1

我需要互斥保护布尔标志吗？

不一定，原子指令就可以。我所说的“原子指令”是指编译器内部函数，a）防止编译器重新排序/优化，b）导致原子读/写，c）发出适当的内存栅栏以确保 CPU 之间的可见性（对于当前的 x86 CPU 采用 MESI 缓存一致性协议）。类似于 gcc 原子内置函数。

我可以说所有布尔读/写本质上都是原子操作吗？如果您回答“是”或“否”，您从哪里获得信息？

取决于CPU。对于英特尔 CPU - 是的。请参阅英特尔® 64 和 IA-32 架构软件开发人员手册。

我最近听说了 GCC Atomic-builtin。我可以使用它们使我的标志读/写原子化而不必使用互斥体吗？有什么区别？我知道原子内置函数可以归结为机器代码，但即使互斥体也可以归结为 CPU 的内存屏障指令，对吗？为什么人们将互斥体称为“操作系统级”构造？

原子和互斥体的区别在于，后者可以让等待线程休眠，直到互斥体被释放。对于原子，你只能忙自旋。

我需要互斥保护我的 std::vector 吗？回想一下，工作线程填充此向量，而父线程仅对其调用empty()（即仅读取它）

。

我不认为互斥保护对于 bool 或向量来说是必要的。我合理化如下：“好吧，如果我在更新之前读取共享内存......那也没关系，我下次会得到更新的值。更重要的是，我不明白为什么编写器应该被阻止阅读就是阅读，因为归根结底，读者只是阅读！”

根据实现的不同，vector.empty() 可能涉及读取两个缓冲区开始/结束指针并减去或比较它们，因此您有可能读取一个指针的新版本和旧版本另一个没有互斥体的。可能会出现令人惊讶的行为。

Answer 2

从 C++11 标准的角度来看，您必须使用互斥锁来保护 bool，或者使用 std::atomic。即使您确定您的 bool 无论如何都会以原子方式读取和写入，编译器仍然有可能优化对其的访问，因为它不知道可能访问它的其他线程。

如果由于某种原因您绝对需要平台的最新性能，请考虑阅读“Intel 64 和 IA-32 架构软件开发人员手册”，它将告诉您架构的幕后工作原理。但是，当然，这将使您的程序不可移植。

Answer 3

答案：

1. 您需要保护有可能同时被两个或多个线程操作的布尔值（或任何其他与此相关的变量）。您可以使用互斥体或通过原子操作布尔值来完成此操作。
2. 布尔读取和布尔写入可能是原子操作，但两个顺序操作肯定不是（例如，读取然后写入）。稍后会详细介绍这一点。
3. 原子内置函数为上述问题提供了解决方案：能够在不能被另一个线程中断的步骤中读写变量。这使得操作原子化。
4. 如果您使用 bool 标志作为“互斥体”（即，只有将 bool 标志设置为 true 的线程才有权修改向量），那么就可以了。互斥由布尔值管理，只要您使用原子操作修改布尔值，就应该全部设置完毕。
5. 为了回答这个问题，让我举一个例子：

 

bool              flag(false);
std::vector<char> my_vector;

while (true)
{
    if (flag == false) // check to see if the mutex is owned
    {
        flag = true; // obtain ownership of the flag (the mutex)

        // manipulate the vector

        flag = false; // release ownership of the flag
    }
}

在多线程环境中的上述代码中，线程可以在 if 语句（读取）和赋值（写入）之间被抢占，这意味着两个< /em> （或更多）具有此类代码的线程同时“拥有”互斥体（以及向量的权利）。这就是原子操作至关重要的原因：它们确保在上述场景中一次只能由一个线程设置标志，从而确保一次只能由一个线程操作向量。

请注意，将标志设置回 false 不一定是原子操作，因为您的此实例是唯一有权修改它的实例。

一个粗略的（阅读：未经测试的）解决方案可能看起来像：

bool              flag(false);
std::vector<char> my_vector;

while (true)
{
    // check to see if the mutex is owned and obtain ownership if possible
    if (__sync_bool_compare_and_swap(&flag, false, true)) 
    {
        // manipulate the vector

        flag = false; // release ownership of the flag
    }
}

原子内置的文档如下：

如果比较成功并且 newval 被写入，“bool”版本将返回 true。

这意味着该操作将检查 flag 是否为 false 以及是否将其值设置为 true。如果值为 false，则返回 true，否则返回 false。所有这些都发生在一个原子步骤中，因此保证不会被另一个线程抢占。

Answer 4

我没有专业知识来回答您的整个问题，但在默认情况下读取非原子的情况下，您的最后一个项目符号是不正确的。

上下文切换可以在任何地方发生，读取器可以在读取过程中进行上下文切换，写入器可以切换并进行完整的写入，然后读取器将完成读取。读者既不会看到第一个值，也不会看到第二个值，但可能会看到一些非常不准确的中间值。