CPU乱序效果的测试程序

Question

我写了一个多线程程序来演示Intel处理器的乱序效果。程序附在本post末尾。预期的结果应该是当 x 被 handler1 打印为 42 或 0 时。然而，实际结果始终是 42，这意味着乱序效应不会发生。

我用命令"gcc -pthread -O0 out-of-order-test.c"编译了程序我运行在 Ubuntu 12.04 LTS（Linux 内核 3.8.0-29-generic）上编译的程序在 Intel IvyBridge 处理器 Intel(R) Xeon(R) CPU E5 -1650 v2.

有谁知道我应该怎么做才能看到乱序效果？

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>

int f = 0, x = 0;

void* handler1(void *data)
{
    while (f == 0);
    // Memory fence required here
    printf("%d\n", x);
}

void* handler2(void *data)
{
    x = 42;
    // Memory fence required here
    f = 1;
}

int main(int argc, char argv[])
{
    pthread_t tid1, tid2;

    pthread_create(&tid1, NULL, handler1, NULL);
    pthread_create(&tid2, NULL, handler2, NULL);

    sleep(1);
    return 0;
}

Answer 1

您正在将竞争条件与乱序执行范式混合在一起。不幸的是，我很确定你不能 "expose" 乱序执行，因为它是明确设计和实现的，以保护你（运行ning 程序及其数据）免受其影响.

更具体地说：乱序执行完全发生在 "inside" 和 CPU 之间。无序指令的结果不会直接发布到寄存器文件，而是排队以保持顺序。因此，即使指令本身是乱序执行的（基于主要确保这些指令可以运行彼此独立的各种规则），它们的结果也总是按照预期的正确顺序重新排序由外部观察员。

您的程序所做的是：它尝试（非常粗略地）模拟一种竞争条件，在这种情况下您希望看到 f 的分配先于 x and 同时你希望有一个上下文切换发生 exactly 在那个时刻 and 你假设新线程将安排在与另一个相同的 CPU 核心上。然而，正如我上面所解释的——即使你足够幸运地满足了所有列出的条件（在 f 赋值之后但在 x 赋值之前安排第二个线程 and 将新线程安排在同一个 CPU 核心上）——这本身就是一个概率极低的事件——即便如此，你真正暴露的只是一个潜在的竞争条件，而不是一个 out-of -订单执行。

很抱歉让您失望了，您的程序无法帮助您观察乱序执行的影响。至少没有足够高的概率实用。

您可以在这里阅读更多关于乱序执行的内容： http://courses.cs.washington.edu/courses/csep548/06au/lectures/introOOO.pdf

更新经过一些思考后，我认为您可以即时修改指令，以期暴露无序执行。但即便如此，我担心这种方法也会失败，因为新的 "updated" 指令不会正确反映在 CPU 的管道中。我的意思是：CPU 很可能已经获取并解析了您将要修改的指令，因此将要执行的内容将不再匹配内存字的内容（即使是 CPU的一级缓存）。但是这种技术，假设它可以帮助你，需要直接在 Assembly 中进行一些高级编程，并且需要你的代码运行ning 在最高权限级别（ring 0）。我建议在编写自修改代码时要格外小心，因为它有很大的潜在副作用。

Answer 2

请注意：以下仅涉及 MEMORY 重新排序。据我所知，您无法观察到管道外的乱序执行，因为这将导致 CPU 无法遵守其接口。（例如：你应该告诉英特尔，这将是一个错误）。具体来说，重新排序缓冲区和指令退休簿记必须失败。

根据Intel's documentation（特别是第 3A 卷，第 8.2.3.4 节）：

The Intel-64 memory-ordering model allows a load to be reordered with an earlier store to a different location.

它还指定（我正在总结，但所有这些都可以在第 8.2 节内存排序和 8.2.3 中的示例中找到）加载永远不会与加载一起重新排序，存储永远不会与存储一起重新排序，并且存储和从未重新订购过早的负载。这意味着在 Intel 64 中这些操作之间存在隐式栅栏（弱类型中的 3 个）。

要观察内存重新排序，您只需足够仔细地实施该示例以实际观察效果。 Here is a link to a full implementation I did that demonstrates this. (I will follow up with more details in the accompanying post here)。

基本上第一个线程（示例中的processor_0）是这样做的：

    x = 1;
#if CPU_FENCE
    __cpu_fence();
#endif
    r1 = y;

在其自身线程中的 while 循环内部（使用 SCHED_FIFO:99 固定到 CPU）。

第二个（观察者，在我的演示中）这样做：

    y = 1;
#if CPU_FENCE
    __cpu_fence();
#endif
    r2 = x;

也在具有相同调度程序设置的自身线程中的 while 循环中。

重新订购是这样检查的（完全按照示例中指定的方式）：

if (r1 == 0 and r2 == 0)
++reorders;

禁用 CPU_FENCE 后，这是我看到的：

[  0][myles][~/projects/...](master) sudo ./build/ooo
after 100000 attempts, 754 reorders observed

启用 CPU_FENCE（使用 "heavyweight" mfence 指令）我看到：

[  0][myles][~/projects/...](master) sudo ./build/ooo
after 100000 attempts, 0 reorders observed

我希望这能为你澄清事情！

CPU乱序效果的测试程序

Test program for CPU out of order effect

c

x86

synchronization

memory-barriers

barrier