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

編譯器有時候為了優(yōu)化性能，會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。

但是這種做法有時候會有問題。如果該變量確實（以某種很難檢測的方式）被修改呢？那豈不是讀到錯的值？是的。在多線程情況下，問題更為突出：當(dāng)某個線程對一個內(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，錯誤的值，不新鮮的值。

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如何防止這樣錯誤的“優(yōu)化”？方法就是給變量加上volatile修飾。

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OK，畢竟volatile不是完美的，它也在某種程度上限制了優(yōu)化。有時候是不是有這樣的需求：我要你立即實時讀取數(shù)據(jù)的時候，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。加了volatile，后面這一方面就無從談起，怎么辦？傷腦筋。

其實我們可以這樣：

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需要實時讀取i的值時候，就調(diào)用ACCESS_ONCE(i)，否則直接使用i即可。

這個技巧，我是從《Is parallel programming hard？》上學(xué)到的。

聽起來都很好？然而險象環(huán)生：volatile常被誤用，很多人往往不知道或者忽略它的兩個特點：在C/C++語言里，volatile不保證原子性；使用volatile不應(yīng)該對它有任何Memory Barrier的期待。

第一點比較好理解，對于第二點，我們來看一個很經(jīng)典的例子：

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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，每個線程都擁有一份實體，相互獨立，互不干擾。舉個例子：

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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可能會亂序執(zhí)行指令。例如：

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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

有些人可能會說，那結(jié)果不就不對了嗎？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，對應(yīng)的匯編指令不是簡單的mov b,10和mov b,a+3。

生成的匯編代碼可能是：

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這并不奇怪，為了優(yōu)化性能，有時候確實可以這么做。但是在多線程并行編程中，有時候亂序就會出問題。

一個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對應(yīng)acquire barrier；釋放鎖，也就是unlock對應(yīng)release barrier。哦，那么full barrier呢？

__sync_synchronize

__sync_synchronize就是一種full barrier。