x86 内存排序测试显示在 Intel 手册中说不应该重新排序？

Question

根据英特尔手册。加载和存储都不会用类似的操作重新排序根据 8.2.3.2 加载和存储都不会用类似的操作重新排序

在文档 https://www.intel.com/content/www/us/en/architecture-and-technology/64-ia-32-architectures-software-developer-vol-3a-part-1-manual.html enter image description here

但我创建了一个简单的案例，我发现 r1=1 和 r2=2 发生了。

#include <thread>
#include <iostream>

using namespace std;

volatile int x;
int b[500];
volatile int y;
volatile int start;

int s1;
int s2;
int s3;
int s0;
int foo()
{
    while(start==0);
    x=1;
    asm volatile("" ::: "memory");
    y=1;
    return 0;
}

int fool2()
{
    int a,b;
    while(start==0);
    a=x;
    asm volatile("" ::: "memory");
    b=y;

   if(a==0 && b==1)
         s0++;
   if(a==0 && b==0)
         s1++;
   if(a==1 && b==0)
         s2++;
   if(a==1 && b==1)
        s3++;
   return 0;
}

int main()
{
  int i=0;
  while(1)
  {
     x=y=0;
     thread t1(foo);
     thread t2(fool2);
     start = 1;
     t1.join();
     t2.join();
     i++;
     if((i&0xFFFF)==0)
     {
           cout<<s0<<" "<<s1<<" "<<s2<<" "<<s3<<endl;
     }
  }
}

g++ -O2 -pthread e.cpp

gcc 版本 7.5.0

输出：

69 86538 1 19246512

四种情况（r1和r2与0、1的组合）都是可能的。

Answer 1

仔细看看intel手册的Section 8.2.3.2是什么。在您的示例中，您正在有效地做：

Processor 1	Processor 2
mov [ _x], 1	mov r2, _x
mov [ _y], 1	mov r1, _y

而不是英特尔手册中所说的：

Processor 1	Processor 2
mov [ _x], 1	mov r1, _y
mov [ _y], 1	mov r2, _x

在您的示例中，处理器 2 可能会在处理器 1 设置 _x 之前加载 _x，然后在处理器 1 存储它之后加载 _y，从而允许 (r1=1, r2=0):

Instruction	Processor
mov r2, _x	2
mov [ _x], 1	1
mov [ _y], 1	1
mov r1, _y	2

在 Intel 示例中，处理器 2 只能在加载 _y 之后加载 _x，而处理器 1 只能在设置 _x 之后设置 _y，因此 (r1=1, r2=0) 是不可能的。

下面是一些演示英特尔行为的代码：

#include <thread>
#include <iostream>
#include <stdlib.h>

using namespace std;

volatile int x;
volatile int y;
volatile int start;

constexpr bool flipOrdering = true; //Set this to true to see Intel example, false to see your example
constexpr int jitter = 10000;       //Range of random delay inserted between load/stores to make differences more obvious

int s1;
int s2;
int s3;
int s0;
int foo() {

    while(start==0);

    for(volatile int i = rand()%jitter; i; --i);
    x = 1;
    
    for(volatile int i = rand()%jitter; i; --i);
    asm volatile("" ::: "memory");

    for(volatile int i = rand()%jitter; i; --i);
    y = 1;

    return 0;
}

int fool2() {
    int a, b;
    while(start==0);

    for(volatile int i = rand()%jitter; i; --i);
    if constexpr(flipOrdering) b = y;
    else a = x;

    for(volatile int i = rand()%jitter; i; --i);
    asm volatile("" ::: "memory");

    for(volatile int i = rand()%jitter; i; --i);
    if constexpr(flipOrdering) a = x;
    else b = y;

   if(a==0 && b==1)
         s0++;
   if(a==0 && b==0)
         s1++;
   if(a==1 && b==0)
         s2++;
   if(a==1 && b==1)
        s3++;

    return 0;
}

int main() {
    int i=0;
    while(i< 1000) {
        x=y=0;
        thread t1(foo);
        thread t2(fool2);
        start = 1;
        t1.join();
        t2.join();
        i++;

        if((i%100)==0) {
            cout<<s0<<" "<<s1<<" "<<s2<<" "<<s3<<endl;
        }
    }

    return 0;
}

这里是编译器资源管理器中相同代码运行的 link。

x86 内存排序测试显示在 Intel 手册中说不应该重新排序？

x86 memory ordering test shows reordering where Intel's manual says there shouldn't be?

c++

x86

cpu-architecture

memory-barriers

lock-free