C语言/原子/编译,你真的明白了吗?

  说到原子,类似于以下的代码可能人人都可以看出猫腻。

/* http://www.cnblogs.com/Colin-Cai */
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>

int cnt = 0;
void* mythread(void* arg)
{
        int i;
        for(i=0;i<500000000;i++)
                cnt++;
        return NULL;
}

int main()
{
        pthread_t id, id2;

        pthread_create(&id, NULL, mythread, NULL);
        pthread_create(&id2, NULL, mythread, NULL);
        pthread_join(id, NULL);
        pthread_join(id2, NULL);
        printf("cnt = %d\n", cnt);

        return 0;
}

  我想大多数人都知道其结果未必会得到1000000000。

  测试一下吧。

linux-p94b:/tmp/testhere # gcc test1.c -lpthread
linux-p94b:/tmp/testhere # for((i=0;i<10;i++));do ./a.out ; done
cnt = 1000000000
cnt = 1000000000
cnt = 1000000000
cnt = 1000000000
cnt = 1000000000
cnt = 1000000000
cnt = 958925625
cnt = 1000000000
cnt = 1000000000
cnt = 1000000000

  可是真的知道猫腻了吗?如果我编译的时候优化一下呢?

linux-p94b:/tmp/testhere # gcc -O2 test1.c -lpthread
linux-p94b:/tmp/testhere # for((i=0;i<10;i++));do ./a.out ; done
cnt = 1000000000
cnt = 1000000000
cnt = 1000000000
cnt = 1000000000
cnt = 1000000000
cnt = 1000000000
cnt = 1000000000
cnt = 1000000000
cnt = 1000000000
cnt = 1000000000

  运行速度一下子变的飞快,而且似乎都得到了10亿。

  这里,mythread里cnt自加5亿次被优化成了 cnt += 500000000

  那么当然快啊,可是似乎这与我们当初想测试原子有那么一些差异,一样的代码,不一样的编译,却带来了不同的结果。

  其实原因在于,我们这里代码写的不好,才没有表达好我们当初的意思,我们是希望cnt真的自加5亿次。那么怎么办呢?其实很好办,在cnt的定义前面加个volatile,那么这里对于cnt的自加则不会优化。很多时候,为什么我们优化前和优化后的结果不一样,常常是因为写代码的人不明白程序的优化规则。在上个公司的时候,我很想临走的时候再给大家做一个培训,说说C语言的优化,同时说说我们平时写的无意依赖于编译的所谓垃圾代码,但是直到离开,我还是没有做此培训。

  我们加了volatile试一下,

linux-p94b:/tmp/testhere # gcc -O2 test1.c -lpthread
linux-p94b:/tmp/testhere # for((i=0;i<10;i++));do ./a.out ; done
cnt = 635981117
cnt = 675792826
cnt = 522700646
cnt = 593410055
cnt = 544306380
cnt = 630888304
cnt = 580539893
cnt = 629360072
cnt = 555570127

  我们在cnt定义前加个volatile,效果果然就更明显了,因为真的是自加5亿次,导致问题的机会变多了。那么之前没加volatile并优化编译,会不会也有不得到10亿的可能呢?

  我们首先要明白的是,这里的cnt++不是原子操作,中间有随时调度的可能。

  5亿次太多,我们就拿只自加1次为例即可说明,两个线程都只自加1次,本来期待结果为2.

  cnt++在一般的处理器中至少有三条指令,我们用伪汇编来写。  

  cnt -> reg  //把cnt从内存加载到寄存器reg

  reg+1 -> reg //寄存器reg自加1

  reg -> cnt     //把reg的内容写入内存

  那么,

       (线程1)cnt -> reg

  (线程1)reg+1 -> reg

  (线程1)reg -> cnt

       (线程2)cnt -> reg

  (线程2)reg+1 -> reg

  (线程2)reg -> cnt

  理想中,我们认为处理器的执行是以上这样,结果cnt里的值是2。

  但假设过程中发生了调度,指令执行的顺序并非像以上这样,假如变成了以下这样

       (线程1)cnt -> reg

  (线程1)reg+1 -> reg  

       (线程2)cnt -> reg

  (线程2)reg+1 -> reg

  (线程2)reg -> cnt

  (线程1)reg -> cnt 

  我们再来算算,

  cnt = 0,  reg任意

       (线程1)cnt -> reg

  cnt = 0, reg =  0

  (线程1)reg+1 -> reg

  cnt = 0, reg = 1

  此处调度,reg = 1会被保存,并在重新调度回来之后有效,而cnt不会管

  调度之后

  cnt = 0, reg任意 

       (线程2)cnt -> reg

  cnt = 0, reg = 0

  (线程2)reg+1 -> reg

  cnt = 0, reg = 1

  (线程2)reg -> cnt

  cnt = 1, reg = 1

  此处又发生调度,reg会恢复之前保存的1,而cnt不会有任何变化

  所以在执行下一条指令前,

  cnt = 1, reg = 1

  (线程1)reg -> cnt 

  cnt = 1, reg = 1

  我们可以看到,结果成了1,而不是2,这就是非原子操作导致的结果,其实之前优化成cnt += 500000000本身也依然有此问题,只是难以观察的到。

  虽然x++不是原子,但是我们可以使用锁的方式,来人为的制造“原子”,比如这里用互斥。

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>

volatile int cnt = 0;
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
void* mythread(void* arg)
{
        int i;
        for(i=0;i<500000000;i++) {
                pthread_mutex_lock(&mutex);
                cnt++;
                pthread_mutex_unlock(&mutex);
        }
        return NULL;
}

int main()
{
        pthread_t id, id2;

        pthread_create(&id, NULL, mythread, NULL);
        pthread_create(&id2, NULL, mythread, NULL);
        pthread_join(id, NULL);
        pthread_join(id2, NULL);
        printf("cnt = %d\n", cnt);

        return 0;
}

  测试一下

linux-p94b:/tmp/testhere # gcc -O2 test1.c -lpthread
linux-p94b:/tmp/testhere # for((i=0;i<10;i++));do ./a.out ; done
cnt = 1000000000
cnt = 1000000000
cnt = 1000000000
cnt = 1000000000
cnt = 1000000000
cnt = 1000000000
cnt = 1000000000
cnt = 1000000000
cnt = 1000000000
cnt = 1000000000

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