C語言/原子/編譯，你真的明白了嗎？
說到原子，類似於以下的代碼可能人人都可以看出貓膩。
#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; }
我想大多數人都知道其結果未必會得到1000000000。
測試一下吧。
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
可是真的知道貓膩了嗎？如果我編譯的時候優化一下呢？
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
運行速度一下子變的飛快，而且似乎都得到了10億。
這裏，mythread裏cnt自加5億次被優化成了 cnt += 500000000
那麽當然快啊，可是似乎這與我們當初想測試原子有那麽一些差異，一樣的代碼，不一樣的編譯，卻帶來了不同的結果。
其實原因在於，我們這裏代碼寫的不好，才沒有表達好我們當初的意思，我們是希望cnt真的自加5億次。那麽怎麽辦呢？其實很好辦，在cnt的定義前面加個volatile，那麽這裏對於cnt的自加則不會優化。很多時候，為什麽我們優化前和優化後的結果不一樣，常常是因為寫代碼的人不明白程序的優化規則。在上個公司的時候，我很想臨走的時候再給大家做一個培訓，說說C語言的優化，同時說說我們平時寫的無意依賴於編譯的所謂垃圾代碼，但是直到離開，我還是沒有做此培訓。
我們加了volatile試一下，
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
我們在cnt定義前加個volatile，效果果然就更明顯了，因為真的是自加5億次，導致問題的機會變多了。那麽之前沒加volatile並優化編譯，會不會也有不得到10億的可能呢？
我們首先要明白的是，這裏的cnt++不是原子操作，中間有隨時調度的可能。
5億次太多，我們就拿只自加1次為例即可說明，兩個線程都只自加1次，本來期待結果為2.
cnt++在一般的處理器中至少有三條指令，我們用偽匯編來寫。
cnt -> reg //把cnt從內存加載到寄存器reg
reg+1 -> reg //寄存器reg自加1
reg -> cnt //把reg的內容寫入內存
那麽，
(線程1)cnt -> reg
(線程1)reg+1 -> reg
(線程1)reg -> cnt
(線程2)cnt -> reg
(線程2)reg+1 -> reg
(線程2)reg -> cnt
理想中，我們認為處理器的執行是以上這樣，結果cnt裏的值是2。
但假設過程中發生了調度，指令執行的順序並非像以上這樣，假如變成了以下這樣
(線程1)cnt -> reg
(線程1)reg+1 -> reg
(線程2)cnt -> reg
(線程2)reg+1 -> reg
(線程2)reg -> cnt
(線程1)reg -> cnt
我們再來算算，
cnt = 0, reg任意
(線程1)cnt -> reg
cnt = 0, reg = 0
(線程1)reg+1 -> reg
cnt = 0, reg = 1
此處調度，reg = 1會被保存，並在重新調度回來之後有效,而cnt不會管
調度之後
cnt = 0, reg任意
(線程2)cnt -> reg
cnt = 0, reg = 0
(線程2)reg+1 -> reg
cnt = 0, reg = 1
(線程2)reg -> cnt
cnt = 1, reg = 1
此處又發生調度，reg會恢復之前保存的1，而cnt不會有任何變化
所以在執行下一條指令前，
cnt = 1, reg = 1
(線程1)reg -> cnt
cnt = 1, reg = 1
我們可以看到，結果成了1，而不是2，這就是非原子操作導致的結果，其實之前優化成cnt += 500000000本身也依然有此問題，只是難以觀察的到。
雖然x++不是原子，但是我們可以使用鎖的方式，來人為的制造“原子”，比如這裏用互斥。
#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; }
測試一下
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
C語言/原子/編譯，你真的明白了嗎？