寻找多核核心包上竞争条件的原因

Question

我正在使用基于写入索引和读取索引的简单软件队列。

详细介绍；语言：C，编译器：GCC 优化：-O3 带额外参数，架构：Armv7a，CPU：多核，2 个 Cortex A-15，L2 缓存：共享和启用，L1 缓存：每个 CPU，启用，架构应该是缓存一致的。

CPU 1 负责写作，CPU 2 负责阅读。下面是非常简化的示例代码。您可以假设索引的初始值为零。

常见：

#define QUE_LEN 4

unsigned int my_que_write_index = 0; //memory
unsigned int my_que_read_index = 0; //memory

struct my_que_struct{
  unsigned int param1;
  unsigned int param2;
};

struct my_que_struct my_que[QUE_LEN]; //memory

CPU 1 次运行：

void que_writer
{
unsigned int write_index_local;

write_index_local = my_que_write_index; //my_que_write_index is in memory
my_que[write_index_local].param1 = 16; //my_que is my queue and stored in memory also
my_que[write_index_local].param2 = 32;
//similar writing stuff

++write_index_local;
if(write_index_local == QUE_LEN) write_index_local = 0;

my_que_write_index = write_index_local;
}

CPU 2 次运行：

void que_reader()
{
unsigned int read_index_local, param1, param2;

read_index_local = my_que_read_index; //also in memory
while(read_index_local != my_que_write_index)
 {
   param1 = my_que[read_index_local].param1;

   if(param1 == 0) FATAL_ERROR;

   param2 = my_que[read_index_local].param2;
   //similar reading stuff

   my_que[read_index_local].param1 = 0;

   ++read_index_local;
   if(read_index_local == QUE_LEN) read_index_local = 0;
 }

my_que_read_index = read_index_local;
}

好的，在正常情况下，致命错误永远不会发生，因为队列的 param1 始终以常量值 16 存储。但是不知何故，队列的 param1 发生了 0 并且发生了致命错误。

很明显，这在某种程度上是一个竞争条件问题，但我不知道它是怎么发生的。索引由 CPU 单独更新。

我不想在不了解问题核心的情况下用内存障碍填充我的代码。你知道这是怎么回事吗？

详情：这是一个裸机系统，这些代码是禁止中断的，没有抢占或任务切换。

Answer 1

编译器和 CPU 可以根据需要重新安排存储和加载（即只要单线程程序无法观察到差异）。当然，对于多线程程序，这些效果是可以很好地观察到的。

比如这段代码

write_index_local = my_que_write_index;
my_que[write_index_local].param1 = 16;
my_que[write_index_local].param2 = 32;
++write_index_local;
if(write_index_local == QUE_LEN) write_index_local = 0;
my_que_write_index = write_index_local;

可以这样重新排序

a = my_que_write_index;
my_que_write_index = write_index_local == QUE_LEN - 1 ? 0 : a + 1;
my_que[a].param1 = 16;
my_que[a].param2 = 32;

正确处理这些内容需要避免此类重新排序的原子和障碍。查看 Preshing 的一系列优秀博客文章以了解原子学，这篇文章可能是一个好的开始：http://preshing.com/20120612/an-introduction-to-lock-free-programming/ 但也请查看以下文章。

寻找多核核心包上竞争条件的原因

Looking the cause of a race condition on a multicore corepack

c

embedded

gcc

race-condition

armv7