易失性但未设防的读取是否会产生无限过时的值?(在实际硬件上)

在回答时 this question 关于OP的情况出现了另一个我不确定的问题:这主要是一个处理器体系结构问题,但也有一个关于C++11内存模型的附带问题。

基本上,OP的代码在更高的优化级别上无限循环,因为以下代码(为了简单起见,稍作修改):

while (true) {
    uint8_t ov = bits_; // bits_ is some "uint8_t" non-local variable
    if (ov & MASK) {
        continue;
    }
    if (ov == __sync_val_compare_and_swap(&bits_, ov, ov | MASK)) {
        break;
    }
}

哪里 __sync_val_compare_and_swap() 是GCC内置的原子CAS。GCC(合理地)将其优化为无限循环,在这种情况下 bits_ & mask 被检测为 true 在进入循环之前,完全跳过CAS操作,因此我建议进行以下更改(有效):

while (true) {
    uint8_t ov = bits_; // bits_ is some "uint8_t" non-local variable
    if (ov & MASK) {
        __sync_synchronize();
        continue;
    }
    if (ov == __sync_val_compare_and_swap(&bits_, ov, ov | MASK)) {
        break;
    }
}

在我回答后,OP注意到 bits_ 到 volatile uint8_t 似乎也很有效。我建议不要走那条路,因为 volatile 通常不应该用于同步,而且在这里使用围栏似乎没有太大的缺点。

然而,我想了更多,在这种情况下,语义是这样的,如果 ov & MASK 检查是基于过时的值,只要它不是基于无限过时的值(即,只要循环最终被破坏),因为实际的更新尝试 位_ 是同步的。也是如此 不稳定的 这里足以保证这个循环最终会终止,如果 位_ 由另一个线程更新,使得 bits_ & MASK == false ,对于任何现有的处理器?换句话说,在没有显式内存围栏的情况下,编译器没有优化的读取实际上是否有可能被处理器无限期地有效优化?( 编辑: 为了明确起见,我在这里问的是,假设读取是由编译器在循环中发出的,那么现代硬件实际上可以做什么,所以从技术上讲,这不是一个语言问题,尽管用C++语义来表达它很方便。)

这就是它的硬件角度,但为了稍微更新它,并使其成为关于C++11内存模型的一个可回答的问题,请考虑上面代码的以下变体:

// bits_ is "std::atomic<unsigned char>"
unsigned char ov = bits_.load(std::memory_order_relaxed);
while (true) {
    if (ov & MASK) {
        ov = bits_.load(std::memory_order_relaxed);
        continue;
    }
    // compare_exchange_weak also updates ov if the exchange fails
    if (bits_.compare_exchange_weak(ov, ov | MASK, std::memory_order_acq_rel)) {
        break;
    }
}

cppreference 声称 std::memory_order_relaxed 意味着“对围绕原子变量的内存访问的重新排序没有限制”,因此与实际硬件将要做什么或不会做什么无关,这确实意味着 bits_.load(std::memory_order_relaxed) 从技术上讲 从不 在之后读取更新的值 位_ 是否在一致性实现中的另一个线程上更新?

编辑: 我在标准(29.4 p13)中发现了这一点:

实现应该使原子存储在合理的时间内对原子负载可见。

因此,显然“无限长时间”等待更新值是不可能的(大多数情况下?),但除了应该是“合理的”之外,没有任何具体的新鲜时间间隔的硬性保证;尽管如此,关于实际硬件行为的问题仍然存在。