C++线程栈地址范围

Question

C++ 标准是否提供关于线程堆栈的非重叠性质的保证（如由std::thread 启动的那样）？特别是是否可以保证线程在线程堆栈的进程地址空间中有自己的、独占的、分配的范围？这在标准中在哪里描述？

例如

std::uintptr_t foo() {
    auto integer = int{0};
    return std::bit_cast<std::uintptr_t>(&integer); 
    ... 
}

void bar(std::uint64_t id, std::atomic<std::uint64_t>& atomic) {
    while (atomic.load() != id) {}
    cout << foo() << endl;
    atomic.fetch_add(1);
}

int main() {
    auto atomic = std::atomic<std::uint64_t>{0};
    auto one = std::thread{[&]() { bar(0, atomic); }};
    auto two = std::thread{[&]() { bar(1, atomic); }};

    one.join();
    two.join();
}

这可以打印两次相同的值吗？感觉标准应该在某个地方提供这种保证。但不确定..

Answer 1

C++ 标准甚至不要求函数调用使用堆栈实现（或者线程在这个意义上具有堆栈）。

当前的 C++ 草案是这么说的 overlapping objects:

如果一个对象嵌套在另一个对象中，或者至少一个是大小为零的子对象并且它们属于不同类型，则两个具有重叠生命周期且不是位域的对象可能具有相同的地址；否则，它们具有不同的地址并占用不相交的存储字节。

在（非规范性）脚注中：

根据“as-if”规则，允许实现将两个对象存储在同一机器地址，或者如果程序无法观察到差异（[intro.execution]），则根本不存储对象。

在您的示例中，我认为线程未按预期正确同步，因此 integer 对象的生命周期不一定重叠，因此两个对象可以放在同一个地址。

如果代码被修复为正确同步并且foo被手动内联到bar中，这样integer对象在打印其地址时仍然存在，那么必须分配两个对象在不同的地址，因为差异是可观察到的。

但是，这些都不能告诉您是否可以在没有编译器帮助的情况下在 C++ 中实现堆栈式协程。现实世界的编译器对执行环境做出假设，这些假设未反映在 C++ 标准中，仅由 ABI 标准暗示。与堆栈切换协程特别相关的是，线程描述符和线程局部变量的地址在执行函数时不会改变（因为它们的计算成本可能很高，并且编译器会发出代码以将它们缓存在寄存器中或在堆栈）。

这是可能发生的事情：

1. 协程在线程 A 上运行并访问 errno。

2. 协程从线程 A 挂起。

3. 协程在线程 B 上恢复。

4. 协程再次访问errno。

此时，线程 B 将访问线程 A 的 errno 值，此时它可能正在做一些完全不同的事情。

如果一个协程只在它被挂起的同一个线程上恢复，这个问题是可以避免的，这是非常严格的，可能不是大多数协程库作者的想法。最糟糕的是，在大多数情况下，在错误的线程上恢复可能会起作用，因为一些广泛使用的线程局部变量（例如errno）不是线程局部的，不会立即导致明显的结果错误的程序。

Answer 2

对于所有标准问题，当foo() 需要堆栈帧时，实现会调用new __StackFrameFoo。那些结束，谁知道呢。

主要规则是不同的对象有不同的地址，这包括“住在堆栈上”的对象。但是该规则仅适用于同时存在的两个对象，然后仅在使用适当的线程同步进行比较时才适用。当然，比较地址确实会阻碍优化器，它可能需要为一个可能被优化出来的对象分配一个地址。