Löst Volatile wirklich Multithreading-Synchronisierungsprobleme?

Die inhärenten Einschränkungen von Volatile in der Multithread-Programmierung

Im Bereich der Multithread-Programmierung ist die Synchronisierung des Zugriffs auf gemeinsam genutzte Daten von entscheidender Bedeutung. Ein Ansatz besteht darin, das Schlüsselwort volatile zu verwenden, um die Erhaltung der Variablenwerte sicherzustellen. Eine aktuelle Diskussion hat jedoch Bedenken hinsichtlich der Wirksamkeit von Volatile in solchen Kontexten geweckt.

Was ist Volatile?

Volatile deklariert Variablen, die nicht aus einem heraus optimiert werden sollten Programm. Dadurch wird sichergestellt, dass der Compiler den Wert nicht in einem Register zwischenspeichert, sondern ihn bei jedem Zugriff aus dem Speicher abruft. Es war ursprünglich für die Verwendung mit Hardware-Registern oder I/O-Operationen gedacht, wurde aber häufig in Multithread-Programmiersituationen eingesetzt.

Die Herausforderungen von Volatile im Multithreading

Leider volatile hat Einschränkungen bei der Verwendung in Multithread-Kontexten. Es garantiert zwar, dass Lese- und Schreibvorgänge auf flüchtige Variablen sofort und in der richtigen Reihenfolge relativ zu anderen flüchtigen Zugriffen erfolgen, es verhindert jedoch nicht die Neuordnung nichtflüchtiger Speicherzugriffe um flüchtige Variablen herum.

Stellen Sie sich eine globale Variable foo vor als flüchtig deklariert, von mehreren Threads gemeinsam genutzt. Ein Thread setzt foo atomar, während ein anderer es liest. Die flüchtige Deklaration stellt sicher, dass die Schreib- und Lesevorgänge nicht optimiert werden. Allerdings ordnet der Compiler möglicherweise immer noch andere Speicheroperationen, wie das Laden nichtflüchtiger Variablen, relativ zu den flüchtigen Operationen neu an.

Die Lösung: Speicherbarrieren und atomare Variablen

Um eine Neuordnung zu verhindern, sind Speicherbarrieren erforderlich. Sie weisen den Compiler und die CPU an, sicherzustellen, dass kein Speicherzugriff über die Barriere hinweg neu angeordnet wird. Das Platzieren einer Speicherbarriere nach einem Schreibvorgang in eine flüchtige Variable verhindert die Neuordnung nachfolgender nichtflüchtiger Lesevorgänge relativ zum flüchtigen Schreibvorgang.

Da Speicherbarrieren jedoch auch garantieren, dass alle ausstehenden Lese- und Schreibvorgänge ausgeführt werden, sind sie im Wesentlichen bieten die gleiche Funktionalität wie volatile. Daher wird das Schlüsselwort volatile bei der Verwendung von Speicherbarrieren überflüssig.

Moderne Alternativen in C: Atomare Variablen

In C 11 werden atomare Variablen (std::atomic

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