多线程程序停留在优化模式下，但在-O0下正常运行

我编写了一个简单的多线程程序，如下所示：

static bool finished = false;

int func()
{
    size_t i = 0;
    while (!finished)
        ++i;
    return i;
}

int main()
{
    auto result=std::async(std::launch::async, func);
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
    finished=true;
    std::cout<<"result ="<<result.get();
    std::cout<<"\nmain thread id="<<std::this_thread::get_id()<<std::endl;
}

它通常表现在调试模式下在Visual Studio中或-O0在GC c和后打印出的结果1秒钟。但是它卡住了，在“ 释放”模式或中不打印任何内容-O1 -O2 -O3。

UB这是一个访问非原子，非保护变量的线程finished。您可以通过finished类型std::atomic<bool>来解决此问题。

我的解决方法：

#include <iostream>
#include <future>
#include <atomic>

static std::atomic<bool> finished = false;

int func()
{
    size_t i = 0;
    while (!finished)
        ++i;
    return i;
}

int main()
{
    auto result=std::async(std::launch::async, func);
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
    finished=true;
    std::cout<<"result ="<<result.get();
    std::cout<<"\nmain thread id="<<std::this_thread::get_id()<<std::endl;
}

输出：

result =1023045342
main thread id=140147660588864

在coliru上进行现场演示

有人可能会认为“ bool大概是一小部分。这怎么可能是非原子的？（我是从多线程开始的。）

但是请注意，缺乏磨练并不是唯一std::atomic给您带来帮助的东西。它还使来自多个线程的并发读写访问权限得到明确定义，从而使编译器无法假设重新读取该变量将始终看到相同的值。

制作bool不受保护的，非原子的会导致其他问题：

• 编译器可能会决定将变量优化到一个寄存器中，甚至将CSE多次访问优化到一个寄存器中，并减轻循环负担。
• 该变量可能已为CPU内核缓存。（在现实生活中，CPU具有一致的缓存。这不是一个真正的问题，但是C ++标准足够宽松，无法在非一致共享内存上假设的C ++实现在哪里可以atomic<bool>使用memory_order_relaxed存储/加载，但在哪里volatile不起作用。尽管它实际上可以在实际的C ++实现中使用，但它的可变性将是UB。）

为防止这种情况发生，必须明确告知编译器不要这样做。

对于volatile与该问题潜在关系的不断发展的讨论，我感到有些惊讶。因此，我想花两分钱：

• volatile对线程有用
• 谁会担心一个糟糕的优化编译器？。

Scheff的答案描述了如何修复您的代码。我想我会添加一些有关这种情况下实际发生情况的信息。

我使用优化级别1（）在Godbolt上编译了您的代码-O1。您的函数编译如下：

func():
  cmp BYTE PTR finished[rip], 0
  jne .L4
.L5:
  jmp .L5
.L4:
  mov eax, 0
  ret

那么，这里发生了什么？首先，我们有一个比较：cmp BYTE PTR finished[rip], 0-检查是否finished为假。

如果不是 false（也称为true），则应在第一次运行时退出循环。此完成由jne .L4该Ĵ UMPS当Ñ OT ë QUAL到标签.L4，其中的值i（0）被存储在供以后使用和该函数返回的寄存器。

如果是假然而，我们转移到

.L5:
  jmp .L5

这是一个无条件的跳转，要标记.L5为恰好是跳转命令本身。

换句话说，线程被置于无限繁忙循环中。

那么为什么会这样呢？

就优化器而言，线程不在其权限范围之内。假定其他线程不会同时读取或写入变量（因为这将是数据争用UB）。您需要告诉它它不能优化访问。这就是Scheff的答案所在。我不会再重复他了。

由于未告知优化器该finished变量在函数执行期间可能会发生更改，因此它会发现变量finished未由函数本身修改，并假定其为常量。

优化的代码提供了通过恒定的bool值进入函数而产生的两条代码路径；它要么无限运行循环，要么永不运行循环。

在-O0编译器处（如预期的那样）不会优化循环体并进行比较：

func():
  push rbp
  mov rbp, rsp
  mov QWORD PTR [rbp-8], 0
.L148:
  movzx eax, BYTE PTR finished[rip]
  test al, al
  jne .L147
  add QWORD PTR [rbp-8], 1
  jmp .L148
.L147:
  mov rax, QWORD PTR [rbp-8]
  pop rbp
  ret

因此，当未优化的功能起作用时，这里的原子性不足通常不是问题，因为代码和数据类型很简单。我们可能遇到的最坏的情况可能是该值与应有的值i相差一个。

具有数据结构的更复杂的系统更有可能导致数据损坏或执行不正确。

为了学习曲线的完整性；您应该避免使用全局变量。尽管通过将其静态化，您还是做得很好，因此它对于翻译部门来说是本地的。

这是一个例子：

class ST {
public:
    int func()
    {
        size_t i = 0;
        while (!finished)
            ++i;
        return i;
    }
    void setFinished(bool val)
    {
        finished = val;
    }
private:
    std::atomic<bool> finished = false;
};

int main()
{
    ST st;
    auto result=std::async(std::launch::async, &ST::func, std::ref(st));
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
    st.setFinished(true);
    std::cout<<"result ="<<result.get();
    std::cout<<"\nmain thread id="<<std::this_thread::get_id()<<std::endl;
}

生活在魔盒上