std::atomic<bool> ARM 上的无锁不一致 (raspberry pi 3)

Question

我遇到了静态断言的问题。静态断言完全是这样的：

static_assert(std::atomic<bool>::is_always_lock_free);

并且代码在 Raspberry Pi 3 上失败（Linux raspberrypi 4.19.118-v7+ #1311 SMP Mon Apr 27 14:21:24 BST 2020 armv7l GNU/Linux）。

在 cppreference.com atomic::is_always_lock_free reference 网站上声明：

Equals true if this atomic type is always lock-free and false if it is never or sometimes lock-free. The value of this constant is consistent with both the macro ATOMIC_xxx_LOCK_FREE, where defined, with the member function is_lock_free and non-member function std::atomic_is_lock_free.

对我来说第一个运行ge 事情是“有时是无锁的”。它取决于什么？不过后面的问题，回到问题。

我做了个小测试。写了这段代码：

#include <iostream>
#include <atomic>

int main()
{
    std::atomic<bool> dummy {};
    std::cout << std::boolalpha
            << "ATOMIC_BOOL_LOCK_FREE --> " << ATOMIC_BOOL_LOCK_FREE << std::endl
            << "dummy.is_lock_free() --> " << dummy.is_lock_free() << std::endl
            << "std::atomic_is_lock_free(&dummy) --> " << std::atomic_is_lock_free(&dummy) << std::endl
            << "std::atomic<bool>::is_always_lock_free --> " << std::atomic<bool>::is_always_lock_free << std::endl;
    return 0;
}

使用 g++ -std=c++17 atomic_test.cpp && ./a.out（g++ 7.3.0 和 8.3.0，但这无关紧要）在树莓派上运行编译并得到：

ATOMIC_BOOL_LOCK_FREE --> 1
dummy.is_lock_free() --> true
std::atomic_is_lock_free(&dummy) --> true
std::atomic<bool>::is_always_lock_free --> false

如您所见，它与 cppreference 网站上所说的不一致...为了比较，我运行在我的笔记本电脑 (Ubuntu 18.04.5) 上使用 g++ 7.5.0得到：

ATOMIC_BOOL_LOCK_FREE --> 2
dummy.is_lock_free() --> true
std::atomic_is_lock_free(&dummy) --> true
std::atomic<bool>::is_always_lock_free --> true

所以 ATOMIC_BOOL_LOCK_FREE 的值和 is_always_lock_free 常数当然是不同的。寻找 ATOMIC_BOOL_LOCK_FREE 的定义，我只能找到

c++/8/bits/atomic_lockfree_defines.h: #define ATOMIC_BOOL_LOCK_FREE  __GCC_ATOMIC_BOOL_LOCK_FREE
c++/8/atomic: static constexpr bool is_always_lock_free = ATOMIC_BOOL_LOCK_FREE == 2;

ATOMIC_BOOL_LOCK_FREE（或__GCC_ATOMIC_BOOL_LOCK_FREE）等于 1 或 2 有什么区别？是不是如果 1 那么它可能是也可能不是无锁的，如果是 2 它是 100% 无锁的？除了0还有其他值吗？这是 cppreference 站点上的一个错误吗，该站点声明所有这些 return 值应该一致？ raspberry pi 输出的哪个结果是真实的？

Answer 1

ATOMIC_xxx_LOCK_FREE 宏表示：

0 对于永远不会是 lock-free
1 对于 built-in 原子类型有时是 lock-free
2 对于总是 lock-free.

因此，在您的 PI 环境中，std::atomic<bool> 有时是 lock-free 而您正在测试的 dummy 实例是 lock-free - 这意味着 all 个实例是。

bool std::atomic_is_lock_free( const std::atomic<T>* obj ):

In any given program execution, the result of the lock-free query is the same for all pointers of the same type.

唯一的缺点是你不知道类型是否是 lock-free，直到你运行程序。

If(not std::atomic_is_lock_free(&dummy)) {
    std::cout << "Sorry, the program will be slower than expected\n";
}

Answer 2

1 在标准中表示“有时无锁”。 但这实际上意味着“不知道在编译时是无锁的”。

没有编译器选项，GCC 的默认基线包括 ARM 芯片，它们太旧以至于它们不支持原子 RMW 的必要指令，因此它必须编写可以运行在古老的 CPU 上的代码s，总是调用 libatomic 函数而不是内联原子操作。

运行time query function returns true when you 运行 it on an RPi with its ARMv7 or ARMv8 CPU.

使用 -march=native 或 -mcpu=cortex-a53 你会得到 is_always_lock_free 为真，因为在编译时已知目标机器肯定支持所需的指令。（这些选项告诉 GCC 制作一个二进制文件，该二进制文件可能不会运行在其他/较旧的 CPU 上。）这是。

没有那个编译选项，std::atomic 操作必须调用 libatomic 函数，所以即使在现代 CPU.

上也会有额外的开销

GCC（和所有正常的编译器）实现 std::atomic<T> 的方式，它要么对所有实例都是无锁的，要么 none，不检查对齐或每个对象运行时间的任何内容。

alignof( std::atomic<int64_t> ) 是 8 即使 alignof( int64_t ) 在 32 位机器上只有 4，所以如果你有一个未对齐的原子对象，它是未定义的行为。（该 UB 的实际症状可能包括撕裂，即 non-atomicity，对于 pure-load 和 pure-store。）如果您遵循 C++ 规则，您的所有原子对象都将对齐；如果您将未对齐的指针投射到 atomic<int64_t> * 并尝试使用它，您只会遇到问题。

std::atomic<bool> ARM 上的无锁不一致 (raspberry pi 3)

std::atomic<bool> lock-free inconsistency on ARM (raspberry pi 3)

c++

gcc

arm

raspberry-pi

stdatomic