memory_order_relaxed 和可见性

如何解决memory_order_relaxed 和可见性

考虑两个线程,T1 和 T2,它们分别存储和加载一个原子整数 a_i。让我们进一步假设在加载开始执行之前执行存储。之前,我的意思是绝对时间。

T1                                    T2
// other_instructions here...         // ...
a_i.store(7,memory_order_relaxed)    // other instructions here
// other instructions here            // ...
                                      a_i.load(memory_order_relaxed)
                                      // other instructions here

是否保证T2在加载后看到的值为7?

解决方法

是否保证T2在加载后看到的值为7?

内存顺序在这里无关紧要;原子操作是原子。只要您确保写入“发生在”读取之前(您在问题的前提下声明为真),并且没有其他干预操作,T2 将读取由 T1 写入的值。这是原子操作的本质,内存顺序不会修改这一点。

内存命令控制的是if T2看到7(无论是否保证“happens-before”),是否可以访问T1修改的其他数据之前 它将 7 存储到原子中。对于 relaxed 内存排序,T2 没有这样的保证。


注意:您将问题从 load "happens after" the store(当商店为 explicitly "synchronized" with the load)的情况更改为更加模糊的情况。就 C++ 对象模型而言,没有“绝对时间”。对特定原子对象的所有原子操作都按顺序发生,但除非存在明确在两次加载之间创建“发生在/之后”关系的事情,否则无法知道加载了什么值。这将是两种可能性中的一种,但无法知道哪一种。

,

(我正在回答更新的问题;Nicol 回答了原始问题,该问题在 C++“happens-before”术语中指定了“after”,包括同步,这意味着读者可以保证看到作者所做的事情。并不是说他们在一个循环的锁步循环中运行;C++ 没有任何“循环”的概念。)

我正在回答 C++ 如何在普通现代 CPU 上运行。 ISO C++ 当然没有提到 CPU 架构,除了在 C++ 标准中关于 atomic<> 一致性保证的目的的注释中提到普通硬件具有一致性缓存。

之前,我的意思是绝对时间。

如果您的意思是商店在加载执行之前全局可见,那么是的,根据定义,加载会看到它。但是,如果您指的是正常计算机体系结构意义上的“执行”,那么不,无法保证。如果存储同时在不同的内核上运行,则它们需要一些时间才能对其他线程可见。

现代 CPU use a store buffer to decouple store execution from visibility to other cores,因此执行可以是推测性和无序的 exec,而不会在内核之外造成混乱,因此执行不必在缓存未命中存储上停滞。缓存是一致的;您无法从中读取“陈旧”值,但存储需要一些时间才能对其他内核可见。 (在计算机体系结构术语中,存储通过将数据+地址写入存储缓冲区来“执行”。当它从存储缓冲区提交到 L1d 缓存时,它在已知为非推测性之后变得全局可见。)

内核在修改缓存行之前需要获得它的独占所有权(MESI Exclusive 或 Modified 状态),因此如果它尚未拥有该行,它将发送一个 RFO(读取所有权)需要将存储缓冲区中的存储提交到 L1d 缓存。在内核看到 RFO 之前,它可以继续让负载读取该行(即“执行”加载 - 请注意,高性能 CPU 内的加载和存储根本不同,内核希望尽早加载数据,但这样做商店迟到)。

相关:如果线程 1 还进行了一些后续加载,即使在保持其他所有内容有序的强排序 CPU 上,存储缓冲区也是您重新排序 StoreLoad 的方式。或者在具有强有序内存模型(如 x86)的 CPU 上,它保持所有事情都按照程序顺序发生的错觉,除了存储缓冲区。

内存屏障只是命令这个内核的操作。例如,一个完整的屏障会阻止后续加载的执行,直到之前的存储+加载执行完毕,并且存储缓冲区已经耗尽到屏障的点,因此它只包含以后的加载(如果有的话)。

屏障对另一个核心是否看到存储没有影响,除非前提是另一个核心已经看到了一些其他存储。然后使用障碍(或等效的发布/获取),您可以保证另一个核心也将看到发布商店之前的所有其他内容。


Jeff Preshing 的 mental model of memory operations as source-control operations 访问远程服务器是一个有用的模型:您可以订购自己的相对于彼此的操作,但管道中的请求来自不同的内核可以以不同的顺序访问服务器(共享内存)。

这就是为什么 C++ 只将可见性指定为“最终”/“及时”,如果您已经看到(通过获取加载)来自发布存储的值,则可以保证看到较早的内容。 (“立即”的含义取决于硬件。在现代多核系统上通常低于 100 纳秒(取决于您测量的具体内容),尽管多插槽可能会更慢。If I don't use fences,how long could it take a core to see another core's writes?

查看存储本身(发布、seq_cst,或者如果您不需要同步其他加载/存储,甚至可以放松)无论发生与否,这就是创建线程之间之前/之后。由于 CPU 只能通过共享内存(或处理器间中断)查看彼此的操作,因此没有很多好的方法来建立任何同时性的概念。很像物理学中的相对论,如果两件事情不是在同一个地方发生,那么很难说它们同时发生:这取决于观察者,因为看到任何一个事件的时间都有延迟。

(在现代 x86 之类的机器上,TSC 在内核之间同步(这在单插槽多核系统中很常见,而且显然也是大多数(?)多插槽主板),您实际上可以找到绝对时间戳来确定哪个内核在什么时候执行,但乱序执行仍然是一个很大的混淆因素。流水线 CPU 很难准确说出任何给定指令何时“执行”。而且由于通过内存进行通信不是零延迟,甚至尝试以这种方式建立同时性通常也没有用。)

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