Warum bleibt mein Multithread-Programm im optimierten Modus stehen, funktioniert aber im -O0?

Multithreading-Programm bleibt im optimierten Modus stehen, läuft aber normal in -O0

Dieses Problem tritt bei einem Multithreading-Programm auf, bei dem gemeinsam genutzte Variablen nicht atomar sind. Konkret liegt das Problem darin, dass die boolesche Variable fertig ist, auf die zwei Threads ohne Synchronisierung oder Atomizität zugreifen.

Im optimierten Modus geht der Compiler davon aus, dass gemeinsam genutzte Variablen, auf die mehrere Threads zugreifen, geschützt sind. In diesem Programm wird „finished“ jedoch als regulärer Bool deklariert und ist somit nicht atomar. Dadurch kann der Compiler die Synchronisationsmechanismen optimieren, die für den Multithread-Betrieb unerlässlich sind.

Um dieses Problem zu beheben, sollte „finished“ als std::atomic deklariert werden. Dieser Typ bietet atomare Lese- und Schreibvorgänge und stellt sicher, dass gleichzeitige Zugriffe auf die Variable klar definiert und konsistent bleiben.

Fester Code:

#include <iostream>
#include <future>
#include <atomic>

static std::atomic<bool> finished = false;

int func()
{
    size_t i = 0;
    while (!finished)
        ++i;
    return i;
}

int main()
{
    auto result = std::async(std::launch::async, func);
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
    finished = true;
    std::cout << "result = " << result.get();
    std::cout << "\nmain thread>

Live-Demo: coliru

Zusätzliche Überlegungen:

• Flüchtige Variablen allein können keine Atomizität garantieren. Während sie den Compiler daran hindern, Lese-/Schreibvorgänge zu optimieren, stellen sie keine Speicherbarrieren oder Synchronisierungsprimitive bereit.
• Moderne Compiler gehen bei der Optimierung sehr aggressiv vor. Es ist wichtig, explizit gemeinsam genutzte Speicherbereiche und Ressourcensynchronisierungsanforderungen anzugeben, um unerwartetes Verhalten zu verhindern.

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