有序性和内存屏障在保证线程安全中的重要性

2023-09-28 07:21:50

引言

在多线程编程中，确保线程安全至关重要。有序性和内存屏障是实现线程安全的两个基本概念。本文将探讨这些概念在保证线程安全中的重要性。

有序性

有序性是指指令的执行顺序与程序中编写的顺序保持一致。然而，现代CPU为了提高性能，可能会对指令进行重排序。这可能会导致多线程程序中出现不可预测的结果。

CPU指令重排序

CPU为了提高流水线执行效率，可能会对指令进行重排序。例如，以下代码：

int x = 10;
int y = 20;
int sum = x + y;

CPU可能会重排序指令，导致以下执行顺序：

1. 读取y
2. 读取x
3. 计算和
4. 写入sum

这样会导致sum的值为30，而不是预期的40。这是因为读取x和y的顺序被重排序了。

内存屏障

内存屏障是一种特殊的指令，可以用来控制指令的执行顺序和内存的可见性。内存屏障可以保证在屏障之前的所有指令在屏障之后执行，并且所有在屏障之前写入的变量在屏障之后对其他线程可见。

使用内存屏障来保证线程安全

为了保证线程安全，可以在关键区域周围使用内存屏障。例如，在以下代码中：

int shared_data = 0;

void thread1() {
    // 获取锁...

    shared_data = 10; // 写入共享数据

    // 释放锁...
}

void thread2() {
    // 获取锁...

    if (shared_data == 0) { // 读取共享数据
        // ...
    }

    // 释放锁...
}

如果线程2在没有内存屏障的情况下读取shared_data，可能会读取到旧值0。这是因为线程1写入shared_data的指令可能会被重排序到线程2读取shared_data的指令之后。为了解决这个问题，可以在线程1写入shared_data的指令之后添加一个内存屏障：

int shared_data = 0;

void thread1() {
    // 获取锁...

    shared_data = 10; // 写入共享数据

    __sync_synchronize(); // 内存屏障

    // 释放锁...
}

void thread2() {
    // 获取锁...

    if (shared_data == 0) { // 读取共享数据
        // ...
    }

    // 释放锁...
}