Clang 不会内联 std::atomic::load 来加载 64 位结构

Question

考虑以下代码，它使用 std::atomic 以原子方式加载 64 位对象。

#include <atomic>

struct A {
    int32_t x, y;
};

A f(std::atomic<A>& a) {
    return a.load(std::memory_order_relaxed);
}

有了 GCC，好事发生了，生成了以下代码。 (https://godbolt.org/z/zS53ZF)

f(std::atomic<A>&):
        mov     rax, QWORD PTR [rdi]
        ret

这正是我所期望的，因为我看不出为什么 64 位结构在这种情况下不能像对待任何其他 64 位字一样对待。

然而，对于 Clang，情况就不同了。 Clang 生成以下内容。 (https://godbolt.org/z/d6uqrP)

f(std::atomic<A>&):                     # @f(std::atomic<A>&)
        push    rax
        mov     rsi, rdi
        mov     rdx, rsp
        mov     edi, 8
        xor     ecx, ecx
        call    __atomic_load
        mov     rax, qword ptr [rsp]
        pop     rcx
        ret
        mov     rdi, rax
        call    __clang_call_terminate
__clang_call_terminate:                 # @__clang_call_terminate
        push    rax
        call    __cxa_begin_catch
        call    std::terminate()

由于以下几个原因，这对我来说是个问题：

更明显的是，指令要多得多，所以我希望代码效率较低
不太明显，请注意生成的代码还包括对库函数 __atomic_load 的调用，这意味着我的二进制文件需要使用 libatomic linked。这意味着我需要不同的库列表 link 取决于我的代码的用户是使用 GCC 还是 Clang。
~~库函数可能使用了锁，这会降低性能~~

我现在想到的一个重要问题是是否有办法让 Clang 也将负载转换为一条指令。我们将其用作我们计划分发给其他人的库的一部分，因此我们不能依赖所使用的特定编译器。到目前为止向我建议的解决方案是使用类型双关并将结构与 64 位 int 一起存储在联合中，因为 Clang 确实在一条指令中以原子方式正确加载 64 位 int。然而，我对这个解决方案持怀疑态度，因为尽管它似乎适用于所有主要编译器，但我已经读到它实际上是未定义的行为。如果其他人不熟悉这个技巧，这样的代码对于其他人阅读和理解也不是特别友好。

总而言之，有没有一种方法可以自动加载 64 位结构：

适用于 Clang 和 GCC，最好适用于大多数其他流行的编译器，
编译时生成一条指令，
不是未定义的行为，
reader友善吗？

Answer 1

这个 clang 错过的优化只发生在 libstdc++ 上；正如我们对 -stdlib=libc++ 所期望的那样，在 Godbolt 内联上发出 clang。 https://godbolt.org/z/Tt8XTX.

看来给struct 64位对齐就可以hand-hold clang了

libstdc++ 的 std::atomic 模板针对自然对齐时小到足以成为原子的类型执行此操作，但也许 clang++ 只看到基础类型的对齐，而不是 class atomic<T> 的成员，在 libstdc++ 实现中。我没有调查过；有人应该将此报告给 clang / LLVM bugzilla。

#include <atomic>
#include <stdint.h>  // you forgot this header.

struct A {
    alignas(std::atomic_int64_t) int32_t x;  // same alignment as std::atomic uses for atomic<int64_t>
    int32_t y;  // this one must be separate, otherwise y would also be aligned -> 16-byte object
};

A f(std::atomic<A>& a) {
    return a.load(std::memory_order_relaxed);
}

与 std::atomic<int64_t> 相同的对齐应该在每个目标上提供足够的对齐，其中 64 位对象完全可以是无锁的。 alignof(int64_t) 在 32 位 ABI 上可能只有 4，我没有使用 alignas(8) 来避免在 char 为 32 位且 sizeof(int64_t) = 的系统上过度对齐2.

alignas(2*sizeof(int32_t)) 总是自然地对齐结构，即使在 atomic_int64_t 没有对齐的目标上，例如因为它不是无锁的。没关系。

Godbolt； clang13.0

仍然需要此解决方法

# clang++ 9.0  -std=gnu++17 -O3;  g++ is the same
f(std::atomic<A>&):
        mov     rax, qword ptr [rdi]
        ret

顺便说一句，不，libatomic 库函数不会使用锁；它确实知道 8 字节对齐的加载自然是原子的，并且其他使用线程将使用普通 loads/stores，而不是锁。

较旧的 clang 至少使用 call __atomic_load_8 而不是通用的可变大小的，但这仍然是一个很大的优化失误。

有趣的事实：clang -m32 将使用 lock cmpxchg8b 来实现 8 字节原子加载，而不是像 GCC 那样使用 SSE 或 fild。但这与使用 SSE 或 x87 是 ABI 兼容的，因此它不会被锁定到使用次优方式。 :/

Clang 不会内联 std::atomic::load 来加载 64 位结构

Clang doesn't inline std::atomic::load for loading 64-bit structs

c++

atomic

clang

compiler-optimization

stdatomic