带栅栏的SPSC螺纹安全

Question

我只想我的代码尽可能简单，线程安全。

与C11原子

关于ISO/IEC 9899/201X草案第7.17.4部分

X和Y都是在某些原子物体M上操作的，例如在X，X修改M，Y在B之前对A进行排序，Y读取X写入的值或假设释放序列X中任何副作用所写的值，如果它是释放操作的话。

这个代码线程安全吗(以"w_i“作为”对象M")？

"w_i“和"r_i”都需要声明为_Atomic吗？

如果只有w_i是_Atomic，那么主线程是否可以在缓存中保留r_i的旧值，并认为队列不是满的(而它是满的)并写入数据呢？

如果我读到一个没有atomic_load的原子，会发生什么？

我做了一些测试，但我的所有尝试似乎都给出了正确的结果。但是，我知道我的测试对于多线程并不是真正正确的:我多次运行我的程序并查看结果。

即使没有w_i而不是r_i被声明为_Atomic，我的程序工作，但只有栅栏是不够的C11标准，对吗？

typedef int rbuff_data_t;

struct rbuf {
    rbuff_data_t * buf;
    unsigned int bufmask;

    _Atomic unsigned int w_i;
    _Atomic unsigned int r_i;
};
typedef struct rbuf rbuf_t;

static inline int
thrd_tryenq(struct rbuf * queue, rbuff_data_t val) {
    size_t next_w_i;

    next_w_i = (queue->w_i + 1) & queue->bufmask;

    /* if ring full */
    if (atomic_load(&queue->r_i) == next_w_i) {
        return 1;
    }

    queue->buf[queue->w_i] = val;
    atomic_thread_fence(memory_order_release);
    atomic_store(&queue->w_i, next_w_i);

    return 0;
}

static inline int
thrd_trydeq(struct rbuf * queue, rbuff_data_t * val) {
    size_t next_r_i;

    /*if ring empty*/
    if (queue->r_i == atomic_load(&queue->w_i)) {
        return 1;
    }
    next_r_i = (queue->r_i + 1) & queue->bufmask;
    atomic_thread_fence(memory_order_acquire);
    *val = queue->buf[queue->r_i];
    atomic_store(&queue->r_i, next_r_i);
    return 0;
}

我将这些功能称为以下功能：

主线程对一些数据进行排队：

while (thrd_tryenq(thrd_get_queue(&tinfo[tnum]), i)) {
    usleep(10);
    continue;
}

其他线程排队列数据：

static void *
thrd_work(void *arg) {
    struct thrd_info *tinfo = arg;
    int elt;

    atomic_init(&tinfo->alive, true);

    /* busy waiting when queue empty */
    while (atomic_load(&tinfo->alive)) {
        if (thrd_trydeq(&tinfo->queue, &elt)) {
            sched_yield();
            continue;
        }
        printf("Thread %zu deq %d\n",
                tinfo->thrd_num, elt);
    }

    pthread_exit(NULL);
}

带asm栅栏的

对于特定的平台x86，如果我删除所有C11代码，只需将栅栏替换为

asm volatile ("sfence" ::: "memory");

和

asm volatile ("lfence" ::: "memory");

(我对这些宏的理解是:编译器围栏以防止内存访问被重新化/优化+硬件栅栏)

例如，是否需要将我的变量声明为易失性？

我已经看到了上面只有这些asm栅栏，但没有原子类型的环形缓冲代码，我真的很惊讶，我想知道这段代码是否正确。

Answer 1

关于C11原子，我只是回答，平台细节太复杂了，应该逐步淘汰。

C11中的线程之间的同步只能通过一些系统调用(例如mtx_t)和atomics来保证。甚至不要试着在没有。

也就是说，同步化是通过原子实现的，也就是说，副作用的可见性保证通过原子效应的可见性来传播。例如，对于最简单的一致性模型，每次线程T2看到修改线程T1对原子变量A产生影响时，线程T1中的调制之前的所有副作用对T2都是可见的。

因此，并不是所有共享变量都需要是原子的，您只需确保状态通过原子正确传播。从这个意义上说，当你使用顺序或获得释放一致性时，篱笆不会为你买到任何东西，它们只会使画面变得复杂。

一些更一般性的评论：

• 由于您似乎使用了顺序一致性模型(这是默认的)，所以原子操作的函数写入(例如atomic_load)是多余的。仅仅计算原子变量是完全相同的。
• 我的印象是，在开发过程中，您尝试优化的时间太早了。我认为您应该先做一个可以证明正确性的实现。然后，当且仅当您注意到性能问题时，您应该开始考虑优化。这样的原子数据结构不太可能成为应用程序的真正瓶颈。你必须有大量的线程，这些线程都同时敲击你可怜的原子变量，才能在这里看到一个可测量的瓶颈。