访问共享内存没有易失性，std：：原子，信号量，互斥和自旋锁？

Question

我读过这个职位。

答案有趣地指出：

实际上，您需要修改代码以避免在易失性缓冲区上使用C库函数。你的选择包括：

1. 为使用易失性缓冲区的C库函数编写自己的替代方案。
2. 使用适当的记忆屏障。

我很好奇为什么#2是可能的。假设2(单线程)进程使用shm_open() + memcpy()在CentOS 7上创建/打开相同的共享内存，我使用gcc/g++ 7和x86-64。

Answer 1

滚动您自己的编译器内存屏障，告诉编译器所有的全局变量都可能是异步修改的。

在C++11和更高版本中，该语言定义了一个内存模型，该模型指定非原子变量上的数据竞争是未定义的行为。因此，虽然这在现代编译器的实践中仍然有效，但我们可能应该只讨论C++03和更早的版本。在C++11之前，您必须滚动自己的函数，或者使用p线程库函数或任何其他库。

相关：互斥锁和解锁功能如何防止CPU重新排序？

GNU asm("" ::: "memory") 中的是一个编译器内存屏障， On x86是一种强有序的体系结构，它本身就给出了acq_rel语义，因为x86所能做的唯一一种运行时重排序功能就是StoreLoad。

优化器将其完全视为对非内联函数的函数调用:假定在此函数之外的任何内存都可能有指针被修改。见了解易失性asm与易失性变量。(没有输出的GNU扩展asm语句是隐式volatile，因此asm volatile("" ::: "memory")更显式，但等价。)

有关编译器障碍的更多信息，请参见http://preshing.com/20120625/memory-ordering-at-compile-time/。但是请注意，这不仅仅是阻塞重新排序，而是阻塞优化，比如将值保存在循环中的寄存器中。

例如，像while(shared_var) {}这样的自旋循环可以编译成if(shared_var) infinite_loop;，但是通过设置一个屏障，我们可以防止这样的情况发生：

void spinwait(int *ptr_to_shmem) {
    while(shared_var) {
        asm("" ::: "memory");
    }
}

gcc -O3用于x86-64 ( void+spinwait(std::atomic_int+*ptr_to_shmem)+{ ++++while(*ptr_to_shmem)+{} }'),l:'5',n:'0',o:'C+++source+#1',t:'0')),k:31.03335155822854,l:'4',m:100,n:'0',o:'',s:0,t:'0'),(g:!((h:compiler,i:(compiler:clang600,filters:(b:'0',binary:'1',commentOnly:'0',demangle:'0',directives:'0',execute:'1',intel:'0',trim:'1'),lang:c++,libs:!(),options:'-Wall+-O3',source:1),l:'5',n:'0',o:'x86-64+clang+6.0.0+(Editor+#1,+Compiler+#1)+C++',t:'0')),header:(),k:34.48332422088573,l:'4',n:'0',o:'',s:0,t:'0'),(g:!((h:compiler,i:(compiler:g81,filters:(b:'0',binary:'1',commentOnly:'1',demangle:'0',directives:'0',execute:'1',intel:'0',trim:'1'),lang:c++,libs:!(),options:'-Wall+-O3',source:1),l:'5',n:'0',o:'x86-64+gcc+8.1+(Editor+#1,+Compiler+#2)+C++',t:'0')),header:(),k:34.48332422088573,l:'4',n:'0',o:'',s:0,t:'0')),l:'2',n:'0',o:'',t:'0')),version:4)">关于戈德波特编译器浏览器将其编译为类似于源代码的asm，而不需要从循环中提升负载：

# gcc's output
spinwait(int*):
    jmp     .L5           # gcc doesn't check or know that the asm statement is empty
.L3:
#APP
# 3 "/tmp/compiler-explorer-compiler118610-54-z1284x.occil/example.cpp" 1
        #asm comment: barrier here
# 0 "" 2
#NO_APP
.L5:
    mov     eax, DWORD PTR [rdi]
    test    eax, eax
    jne     .L3
    ret

asm语句仍然是一个易失性的asm语句，它必须运行与循环体在C抽象机器中运行的次数相同的次数。GCC跳过空asm语句，到达循环底部的条件，以确保在运行(空) asm语句之前检查条件。我在asm模板中放置了一个asm注释，以查看整个功能在编译器生成的asm中的结束位置。我们本可以通过在C源代码中编写一个do{}while()循环来避免这种情况。(为什么循环总是被编译成"do...while“样式(尾跳)？)。

除此之外，它与我们从使用std::atomic_int或volatile获得的asm是一样的。(见“天栓”链接)。

没有障碍物的，它确实提升了负载：

# clang6.0 -O3
spinwait_nobarrier(int*):               # @spinwait_nobarrier(int*)
        cmp     dword ptr [rdi], 0
        je      .LBB1_2

.LBB1_1:                     #infinite loop
        jmp     .LBB1_1

.LBB1_2:                     # jump target for 0 on entry
        ret

如果没有任何特定于编译器的内容，您实际上可以使用一个非内联函数来击败优化器，但是您可能必须将其放到库中才能击败链接时间优化。仅仅是另一个源文件是不够的。所以你最终需要一个特定于系统的Makefile或者什么的。(它具有运行时开销)。

Answer 2

要直接回答您的直接问题:使用标准内存屏障-将while循环更改为：

while (strncmp((char *) mem, "exit", 4) != 0)
    atomic_thread_fence(memory_order_acquire);

(请注意，这是C。您已经将您的问题标记为C++，而您所指的最初的帖子是C。然而，等效的C++看起来非常相似)。

粗略地说，memory_order_acquire意味着您希望看到其他线程(或者在本例中是其他进程)所做的更改。在我进行的一些简单实验中，使用当前的编译器似乎就足够了，但是在技术上，如果没有原子操作，可能不是足够的。一个完整的解决方案将使用原子负载重新实现strncmp函数。

严格地说，您不应该在易失性缓冲区上使用strncmp等(即使存在内存屏障，这几乎肯定会引发未定义的行为，尽管我认为当前编译器不会有问题)。

此外，还有更好的方法来解决您链接的帖子中描述的问题。特别是在这种情况下，首先使用共享内存是没有意义的；简单的管道将是一个更好的解决方案。

Answer 3

您可以使用进程共享互斥体。或信号量。

名称 pthread_mutexattr_getpshared，pthread_mutexattr_setpshared -获取并设置进程共享属性。 简要说明 #包括pthread_mutexattr_setpshared(pthread_mutexattr_t *attr(const *pthread_mutexattr_getpshared，int *pthread_mutexattr_getpshared，int *pthread_mutexattr_getpshared)；int pthread_mutexattr_t *attr，int *pthread_mutexattr_getpshared；选项结束 描述 pthread_mutexattr_getpshared()函数将从attr引用的属性对象中获取进程共享属性的值。pthread_mutexattr_setpshared()函数将在attr引用的初始化属性对象中设置进程共享属性。 进程共享属性设置为PTHREAD_PROCESS_SHARED，允许访问分配互斥对象的内存的任何线程对互斥对象进行操作，即使互斥锁是在由多个进程共享的内存中分配的。如果进程共享属性为PTHREAD_PROCESS_PRIVATE，则互斥只能由与初始化互斥线程在同一进程内创建的线程操作；如果不同进程的线程试图在此互斥对象上操作，则行为未定义。属性的默认值应为PTHREAD_PROCESS_PRIVATE。

有关进程共享互斥的示例，请参见共享内存中的条件变量--这段代码符合POSIX吗？。

对于进程共享信号量，

名称 sem_init -初始化未命名的信号量(实时) 简要说明 #包括 int sem_init(sem_t *sem，int，unsigned )；选项End 描述 sem_init()函数将初始化sem引用的未命名信号量。初始化信号量的值应为值。在成功调用sem_init()之后，信号量可用于随后对sem_wait()、sem_timedwait()、sem_trywait()、sem_post()和sem_destroy()的调用。这个信号量将保持可用，直到信号量被摧毁为止。 如果pshared参数有一个非零值，那么信号量在进程之间是共享的；在这种情况下，任何可以访问信号量sem的进程都可以使用sem来执行sem_wait()、sem_timedwait()、sem_trywait()、sem_post()和sem_destroy()操作。

有关进程共享信号量的示例，请参阅如何使用共享内存在进程之间共享信号量。