浅析golang如何在多线程中避免CPU指令重排

起因

golang 的发明初衷便是多线程，是一门专门用于多线程高并发的编程语言。其独创的 GMP 模型在多线程的开发上提供了很大的便利。

现代计算机基本上都是多核 CPU 的结构。CPU 在进行指令运行的时候，为了提高效率，会在一些情况下对指令进行重排序，其目的是在保持运行结果和不重拍序的指令一致的前提下，提高程序的运行效率。但是对于多线程并行执行来说，我们可能需要对此额外关注，以避免重排对多线程的影响。

英特尔在其 x86/64 体系结构规范第 3 卷 §8.2.3 中列出了几个这样的问题。这里有一个最简单的例子。假设内存中有两个整数 X 和 Y，最初的值都是 0。两个并行运行的处理器执行以下的机器代码：

虽然在这个例子中使用汇编语言，但这确实是说明 CPU 排序的比较好的方式。每个处理器将 1 存储到其中一个整数变量中，然后将另一个整数加载到寄存器中。（r1 和 r2 只是实际 x86 寄存器（如 eax）的占位符名称。）

现在，无论哪个处理器先将 1 写入内存，都很自然地希望另一个处理器读取回该值，这意味着我们最终应该得到 r1=1、r2=1，或者两者都有。但根据英特尔的规范，情况不一定如此。在规范中，在这个例子的结尾，r1 和 r2 都等于 0 是合法的！这可能是一个违反直觉的结果！

理解这一点的一种方法是，与大多数处理器系列一样，英特尔x86/64处理器可以根据某些规则重新排序机器指令的内存交互，只要它永远不会改变单线程程序的执行。特别地，允许每个处理器将存储的效果延迟超过来自不同位置的任何加载。因此，最终可能会出现指令按以下顺序执行的情况：

程序测试

CPU 指令重排导致的问题

在下面的程序中，来实现上述 CPU 指令重排在多线程中造成的数据不一致现象。下面代码中，声明了 a，b，x，y 四个变量并将其默认值设置为 0。声明两个 go routine 分别执行目标操作（见代码）。正常情况，不管下面 a = 1，x = b，b = 1， y = a 这四条质量如何执行，如果没有重排产生，那么永远不可能出现 x == 0 和 y == 0 同时发生的情况。

但是由于 CPU 指令重排的原因，在实际执行的情况下，在第 1738, 110002, 12987 次测试到了 CPU 指令重排的发生。

func withCpuReordering() {
	index := 0
	for {
		index += 1

		var a, b int32 = 0, 0
		var x, y int32 = 0, 0

		var wg sync.WaitGroup
		wg.Add(2)

		go func() {
			defer wg.Done()

			a = 1
			x = b
		}()

		go func() {
			defer wg.Done()

			b = 1
			y = a
		}()
		wg.Wait()

		if x == 0 && y == 0 {
			panic("CPU Reordering occurs!")
		} else {
			fmt.Println("Now processing in loop", index)
		}
	}
}

绑定 CPU 消除指令重排

上述例子的现象只在多核 CPU 执行的之后才会出现，也就是线程并行执行的时候才会出现。如果我们将上述程序的执行都锁定在一个 CPU 上，也就能避免这种情况的发生。

在下面代码中，我们制定 go routine 最多只能使用一个 CPU。在整个测试过程中，没有出现 x == 0 和 y == 0 同时发生的情况。

func main() {
	runtime.GOMAXPROCS(1)
	withCpuReordering()
}

原因在于指令重排的目的在于提高执行效率，而不是改变执行结果。

通过内存屏障消除指令重排

在 Go 语言的 sync/atomic 包中，原子操作函数的实现会使用 CPU 提供的原子操作指令，以实现对共享变量的原子读写操作。这些原子操作指令通常会在硬件层面实现内存屏障（Memory Barrier），以确保对共享变量的读写操作在不同的 CPU 核心之间具有一定的有序性。

在下面的代码中，通过 atomic 包中的原子操作函数代替了上述代码中的赋值操作，从而解决了执行结果不一致的情况。

func withoutCpuReordering() {
	index := 0
	for {
		index += 1

		var a, b int32 = 0, 0
		var x, y int32 = 0, 0

		var wg sync.WaitGroup
		wg.Add(2)

		go func() {
			defer wg.Done()

			atomic.StoreInt32(&a, 1)
			atomic.StoreInt32(&x, atomic.LoadInt32(&b))
		}()

		go func() {
			defer wg.Done()

			atomic.StoreInt32(&b, 1)
			atomic.StoreInt32(&y, atomic.LoadInt32(&a))
		}()
		wg.Wait()

		if x == 0 && y == 0 {
			panic("CPU Reordering occurs!")
		} else {
			fmt.Println("Now processing in loop", index)
		}
	}
}

类似的指令和不同的平台

所有这些不同的 CPU 系列，每个都有独特的指令来强制执行内存排序，编译器根据不同的 CPU 系列将代码编译成不同的指令，并且每个跨平台项目都实现了自己的可移植层。这些都无助于简化无锁编程！这也是最近引入 C++11 原子库标准的部分原因。这是一种标准化的尝试，使编写可移植的无锁代码变得更容易。

比如 mfence 指令特定于 x86/64 的 CPU 架构。如果想使代码更具可移植性，可以将此内在特性封装在预处理器宏中。Linux 内核将其封装在一个名为 smp_mb 的宏，以及相关的宏中，如 smp_rmb 和 smp_wmb，并在不同的体系结构上提供了替代实现。例如，在 PowerPC 上，smp_mb 被实现为 sync。

到此这篇关于浅析golang如何在多线程中避免CPU指令重排的文章就介绍到这了,更多相关go多线程避免CPU指令重排内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！

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