如何编写可观察的指令重排序示例？

Question

举个例子：

#include <thread>
#include <iostream>

int main() {
    int a = 0;
    volatile int flag = 0;

    std::thread t1([&]() {
        while (flag != 1);

        int b = a;
        std::cout << "b = " << b << std::endl;
    });

    std::thread t2([&]() {
        a = 5;
        flag = 1;
    });

    t1.join();
    t2.join();
    return 0;
}

在概念上可以理解，flag = 1;可以在a = 5;之前重新排序和执行，因此b的结果可能是5或0。

但是，实际上，我不能在我的机器上产生输出0的结果。我们如何保证行为或指令可重复地重新排序？如何具体更改代码示例？

Answer 1

首先，您是在UB的土地上，因为有一个竞争条件：flag和a都是从不同的线程中写入和读取的，没有适当的同步--这始终是一个数据竞赛。当您为实现提供这样的程序时，C++标准的不会强加任何要求。

因此，没有办法“保证”特定的行为.

但是，我们可以查看程序集输出，以确定给定的已编译程序可以或不能做什么。我没有成功地单独使用重新排序来展示volatile作为同步机制的问题，但下面是一个使用相关优化的演示。

下面是一个没有数据竞争的程序的例子：

std::atomic<int> a = 0;
std::atomic<int> flag = 0;

std::thread t1([&]() {
    while (flag != 1);

    int b = a;
    std::cout << "b = " << b << std::endl;
});

std::thread t2([&]() {
    a = 5;
    int x = 1000000;
    while (x-- > 1) flag = 0;
    flag = 1;
    x = 1000000;
    while (x-- > 1) flag = 1;
    flag = 0;
    a = 0;
});

t1.join();
t2.join();

https://wandbox.org/permlink/J1aw4rJP7P9o1h7h

实际上，这个程序的通常输出是b = 5 (其他输出是可能的，或者程序可能根本不会因为“不幸”的调度而终止，但是没有UB)。

如果我们使用不正确的同步，我们可以在程序集中看到这个输出不再是可能的(考虑到x86平台的保证)：

int a = 0;
volatile int flag = 0;

std::thread t1([&]() {
    while (flag != 1);

    int b = a;
    std::cout << "b = " << b << std::endl;
});

std::thread t2([&]() {
    a = 5;
    int x = 1000000;
    while (x-- > 1) flag = 0;
    flag = 1;
    x = 1000000;
    while (x-- > 1) flag = 1;
    flag = 0;
    a = 0;
});

t1.join();
t2.join();

第二个线程体的程序集，如https://godbolt.org/z/qsjca1所示

std::thread::_State_impl<std::thread::_Invoker<std::tuple<main::{lambda()#2}> > >::_M_run():
        mov     rcx, QWORD PTR [rdi+8]
        mov     rdx, QWORD PTR [rdi+16]
        mov     eax, 999999
.L4:
        mov     DWORD PTR [rdx], 0
        sub     eax, 1
        jne     .L4
        mov     DWORD PTR [rdx], 1
        mov     eax, 999999
.L5:
        mov     DWORD PTR [rdx], 1
        sub     eax, 1
        jne     .L5
        mov     DWORD PTR [rdx], 0
        mov     DWORD PTR [rcx], 0
        ret

注意a = 5;是如何被完全优化的。在编译的程序中，a没有机会获得5值。

正如您在https://wandbox.org/permlink/Pnbh38QpyqKzIClY中所看到的，程序总是输出0(或不终止)，尽管线程2的原始C++代码--在“天真”的解释中--总是有a == 5而不是flag == 1。

当然，while循环会“消耗时间”，并给其他线程一个交织的机会-- sleep或其他系统调用通常会构成编译器的内存屏障，并可能破坏第二个片段的效果。