Linux環(huán)境多線程編程基礎(chǔ)設(shè)施
本文介紹多線程環(huán)境下并行編程的基礎(chǔ)設(shè)施。主要包括：
- volatile
- __thread
- Memory Barrier
- __sync_synchronize
volatile
編譯器有時(shí)候?yàn)榱藘?yōu)化性能，會(huì)將一些變量的值緩存到寄存器中，因此如果編譯器發(fā)現(xiàn)該變量的值沒有改變的話，將從寄存器里讀出該值，這樣可以避免內(nèi)存訪問。
但是這種做法有時(shí)候會(huì)有問題。如果該變量確實(shí)(以某種很難檢測(cè)的方式)被修改呢?那豈不是讀到錯(cuò)的值?是的。在多線程情況下，問題更為突出：當(dāng)某個(gè)線程對(duì)一個(gè)內(nèi)存單元進(jìn)行修改后，其他線程如果從寄存器里讀取該變量可能讀到老值，未更新的值，錯(cuò)誤的值，不新鮮的值。
如何防止這樣錯(cuò)誤的“優(yōu)化”?方法就是給變量加上volatile修飾。
- volatile int i=10;//用volatile修飾變量i
- ......//something happened
- int b = i;//強(qiáng)制從內(nèi)存中讀取實(shí)時(shí)的i的值
OK，畢竟volatile不是完美的，它也在某種程度上限制了優(yōu)化。有時(shí)候是不是有這樣的需求：我要你立即實(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)的時(shí)候，你就訪問內(nèi)存，別優(yōu)化;否則，你該優(yōu)化還是優(yōu)化你的。能做到嗎?
不加volatile修飾，那么就做不到前面一點(diǎn)。加了volatile，后面這一方面就無從談起，怎么辦?傷腦筋。
其實(shí)我們可以這樣：
- int i = 2; //變量i還是不用加volatile修飾
- #define ACCESS_ONCE(x) (* (volatile typeof(x) *) &(x))
需要實(shí)時(shí)讀取i的值時(shí)候，就調(diào)用ACCESS_ONCE(i)，否則直接使用i即可。
這個(gè)技巧，我是從《Is parallel programming hard?》上學(xué)到的。
聽起來都很好?然而險(xiǎn)象環(huán)生：volatile常被誤用，很多人往往不知道或者忽略它的兩個(gè)特點(diǎn)：在C/C++語言里，volatile不保證原子性;使用volatile不應(yīng)該對(duì)它有任何Memory Barrier的期待。
第一點(diǎn)比較好理解，對(duì)于第二點(diǎn)，我們來看一個(gè)很經(jīng)典的例子：
- volatile int is_ready = 0;
- char message[123];
- void thread_A
- {
- while(is_ready == 0)
- {
- }
- //use message;
- }
- void thread_B
- {
- strcpy(message,"everything seems ok");
- is_ready = 1;
- }
線程B中，雖然is_ready有volatile修飾，但是這里的volatile不提供任何Memory Barrier，因此12行和13行可能被亂序執(zhí)行，is_ready = 1被執(zhí)行，而message還未被正確設(shè)置，導(dǎo)致線程A讀到錯(cuò)誤的值。
這意味著，在多線程中使用volatile需要非常謹(jǐn)慎、小心。
__thread
__thread是gcc內(nèi)置的用于多線程編程的基礎(chǔ)設(shè)施。用__thread修飾的變量，每個(gè)線程都擁有一份實(shí)體，相互獨(dú)立，互不干擾。舉個(gè)例子：
- #include
- #include
- #include
- using namespace std;
- __thread int i = 1;
- void* thread1(void* arg);
- void* thread2(void* arg);
- int main()
- {
- pthread_t pthread1;
- pthread_t pthread2;
- pthread_create(&pthread1, NULL, thread1, NULL);
- pthread_create(&pthread2, NULL, thread2, NULL);
- pthread_join(pthread1, NULL);
- pthread_join(pthread2, NULL);
- return 0;
- }
- void* thread1(void* arg)
- {
- coutiendl;//輸出 2
- return NULL;
- }
- void* thread2(void* arg)
- {
- sleep(1); //等待thread1完成更新
- coutiendl;//輸出 2，而不是3
- return NULL;
- }
需要注意的是：
1，__thread可以修飾全局變量、函數(shù)的靜態(tài)變量，但是無法修飾函數(shù)的局部變量。
2，被__thread修飾的變量只能在編譯期初始化，且只能通過常量表達(dá)式來初始化。
Memory Barrier
為了優(yōu)化，現(xiàn)代編譯器和CPU可能會(huì)亂序執(zhí)行指令。例如：
- int a = 1;
- int b = 2;
- a = b + 3;
- b = 10;
CPU亂序執(zhí)行后，第4行語句和第5行語句的執(zhí)行順序可能變?yōu)橄萣=10然后再a=b+3
有些人可能會(huì)說，那結(jié)果不就不對(duì)了嗎?b為10，a為13?可是正確結(jié)果應(yīng)該是a為5啊。
哦，這里說的是語句的執(zhí)行，對(duì)應(yīng)的匯編指令不是簡(jiǎn)單的mov b,10和mov b,a+3。
生成的匯編代碼可能是：
- movl b(%rip), %eax ; 將b的值暫存入%eax
- movl $10, b(%rip) ; b = 10
- addl $3, %eax ; %eax加3
- movl %eax, a(%rip) ; 將%eax也就是b+3的值寫入a,即 a = b + 3
這并不奇怪，為了優(yōu)化性能，有時(shí)候確實(shí)可以這么做。但是在多線程并行編程中，有時(shí)候亂序就會(huì)出問題。
一個(gè)最典型的例子是用鎖保護(hù)臨界區(qū)。如果臨界區(qū)的代碼被拉到加鎖前或者釋放鎖之后執(zhí)行，那么將導(dǎo)致不明確的結(jié)果，往往讓人不開心的結(jié)果。
還有，比如隨意將讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)亂序，那么本來是先讀后寫，變成先寫后讀就導(dǎo)致后面讀到了臟的數(shù)據(jù)。因此，Memory Barrier就是用來防止亂序執(zhí)行的。具體說來，Memory Barrier包括三種：
1，acquire barrier。acquire barrier之后的指令不能也不會(huì)被拉到該acquire barrier之前執(zhí)行。
2，release barrier。release barrier之前的指令不能也不會(huì)被拉到該release barrier之后執(zhí)行。
3，full barrier。以上兩種的合集。
所以，很容易知道，加鎖，也就是lock對(duì)應(yīng)acquire barrier;釋放鎖，也就是unlock對(duì)應(yīng)release barrier。哦，那么full barrier呢?
__sync_synchronize
__sync_synchronize就是一種full barrier。
