[zz from newsmth]王大牛的Memory Model白话系列(2)

发信人: yifanw (王轶凡), 信区: CPlusPlus
标  题: 内存模型之白话解决方案
发信站: 水木社区 (Sun Mar 15 17:02:31 2009), 站内

99%的情况下：

    大多数程序员在写多线程程序的时候，都是使用os或是thread library提供的同步原语
（semaphore、lock/spinlock、monitor等）把共享变量包围起来。这些同步原语都保证对
共享变量的读写会在临界区内完成，不会乱序到lock之前，也不会乱序到unlock之后。所以
99%的程序员是不需要的关心memory ordering的，只要全部且正确的使用了各种锁，基本上
就可以写出线程安全的程序。

    上一篇白话入门中，double checked locking就是属于不想在quick-path上使用锁，做
了一个不成熟的优化，而引入了bug。

1%的情况下：

    由于种种原因，你不想使用lock来做同步，这就需要了解memory ordering，并采用如
下解决方案：

(A) 山寨解决方案：

    （1）阻止编译器的优化
    针对编译器的优化，可以使用volatile来修饰相应的share variable，编译器*应该*不
会reorder那些volatile variable的read & write，也不会把它们装到register中。但是，
volatile的语义是各个compiler自己决定的，所以在使用之前，最好详细了解。
Visual C++ 2005中volatile的功能很强，文挡也很清楚：
http://msdn2.microsoft.com/en-us/library/12a04hfd.aspx；
我没有能找到gcc关于volatile的详细文档。

    （2）阻止CPU的优化
     Intel提供了一些指令，来解决CPU的memory ordering的问题：
lfence：一个针对load的fence，在lfence之前所有的load（按照program order）都会在
lfence之前执行；在lfence之后的所有load（按照program order）都会在lfence之后执行
。

sfence：一个针对store的fence，在sfence之前所有的store（按照program order）都会在
sfence之前执行；在sfence之后所有的store（按照program order）都会在sfence之后执行
。
mfence：等同于lfence + sfence，在mfence之前所有的load & store（按照program
order）都会在mfence之前执行；在mfence之后所有的load & store（按照program order）
都会在mfence之后执行。

此外，带lock prefix的instruction都相当于执行了一个mfence。

(B) 完全解决方案：

    山寨解决方案不是很完美，需要程序员了解CPU、汇编和编译器优化，而且程序移植到
其他系统上也会有一些麻烦。各个语言社区都在想办法把这个底层细节抽象出来，使得程序
员用一个很简单优雅的方式就能指定需要memory ordering，把实现细节留给编译器。

    于是，有了两个术语：
    (1) acquire语义: 如果操作A拥有acquire语义，A后面的所有的load, store都不会乱
序到A之前
    (2) release语义: 如果操作C拥有release语义，C前面的所有的load, store都不会乱
序到C之后


就是说acquire操作是一个向后的barrier，没有东西可以跑到它前面去；release操作是一
个向前的barrier，没有东西可以到它后面去。

|======> acquire       release <=======|

在Java/C#/VC2005中，对一个volatile variable的read和对各种lock的加锁拥有acquire语
义；对一个volatile variable的write和对各种lock的解锁拥有release语义。

在C++ 0x中，对volatile没有相应的规定，但是对atomic variable(使用atomic library)
的读写和对锁的加解锁也都有类似的acquire/release语义。

这里也解释了为什么使用锁之类的东西，基本不会受到memory ordering的困扰：共享变量
的write/read是不会乱序到临界区之外的，而我们只在临界区内读写共享变量。

只要我们使用acquire/release来指明程序需要的memory ordering，就可以不关心编译器的
优化、CPU的乱序（编译器会做掉剩下的时候，比如压制优化，生成指令来阻止CPU乱序）。

下面来看一个非常简单的C#的例子：

using System;
using System.Threading;
class Test {
    public static int result;
    public static volatile bool finished;

    static void Thread2() {
        result = 143;
        finished = true;
    }

    static void Main() {
        finished = false;

        new Thread(new ThreadStart(Thread2)).Start();

        for (;;) {
            if (finished) {
                Console.WriteLine("result = {0}", result);
                return;
            }
        }
    }
}

  finished被用来作为thread2退出的标志，需要被两个thread共享，所以我们把它做成
volatile，来防止编译器优化（把它装在register中）和CPU乱序（防止Thread2()中
finished先于result被赋值，或者Main中result先于finished被读取）。

但是result同样是一个共享变量，为什么不需要做成volatile呢？因为没有这个必要，首先
考虑Thread2()中对finished的赋值，这是一个volatile write，拥有release语义，这可以
保证对result的赋值必然先完成；Main中对finished的读取是一个volatile read，拥有
acquire语义，这可以保证对result的读取必然后完成。所以，result是不需要做成
volatile的。


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※ 修改:·yifanw 于 Mar 15 17:29:55 2009 修改本文·[FROM:222.67.1.*]                                                   
※ 来源:·水木社区 newsmth.net·[FROM:222.67.1.*]