设置一个位是否与同一个单词上的其他位的并发集合冲突？答案

【问题标题】：Does setting a bit collide with concurrent sets of other bits on the same word?设置一个位是否与同一个单词上的其他位的并发集合冲突？
【发布时间】：2010-11-09 12:02:04
【问题描述】：

假设我有一个位图，并且几个线程（在多个 CPU 上运行）正在对其进行设置。没有使用同步，也没有原子操作。此外，没有进行任何重置。据我了解，当两个线程试图在同一个字上设置两个位时，最终只有一个操作会坚持。原因是对于要设置的位，应该读取和写回整个字，因此当两个读取同时完成时，在写回时一个操作将覆盖另一个操作。对吗？
如果上述情况属实，那么字节操作是否也总是如此？也就是说，如果一个词是 2 个字节，并且每个线程都尝试将不同的字节设置为 1，那么它们在并发执行时是否也会相互覆盖，或者某些系统是否支持仅将结果写回一个词的一部分？

询问的原因是想弄清楚我必须放弃多少空间才能在位/字节/字映射操作中省略同步。

【问题讨论】：

在 C++11 中，对单独的 char 对象的访问保证不是数据竞争。但在同一个char 中，这当然是个问题。 std::bitmap 经常使用 unsigned long 块，使冲突的可能性增加 8 倍。在 asm 中，请参阅 How to set bits of a bit vector efficiently in parallel? 以了解处理两个线程相互更新到同一字节的想法。（例如，做一些更新，mfence，然后回读以确保它们都通过了。但是 C++ 在让您在需要时混合原子负载和更宽的大小方面没有帮助。

标签： c++ memory assembly synchronization bit-manipulation

【解决方案1】：

简而言之，它非常依赖 CPU 和编译器。

假设你有一个包含零的 32 位值，线程 A 想要设置位 0，线程 B 想要设置位 1。

正如您所描述的，这些是读取-修改-写入操作，同步问题是“如果它们发生冲突会发生什么”。

你需要避免的情况是：

A: Reads (gets 0)
B: Reads (also gets zero)
A: Logical-OR bit 0, result = 1
A: Writes 1
B: Logical-OR bit 1, result = 2
B: Writes 2 - oops, should have been 3

...当正确的结果是这样...

A: Reads (gets 0)
A: Logical-OR bit 0, result = 1
A: Writes 1
B: Reads (gets 1)
B: Logical-OR bit 1, result = 2
B: Writes 3 - correct

在某些处理器上，读取-修改写入将是三个单独的指令，因此您需要同步。在其他情况下，它将是单个原子指令。在多个核心/CPU 系统上，这将是一条指令，但其他核心/CPU 可能能够访问，因此您需要再次同步。

用字节来做也是一样的。在某些处理器内存架构中，您只能写入 32 位内存值，因此字节更新需要像以前一样进行 read-modify-write。

X86 架构（特别是 Windows）更新

Windows 提供了一组对 32 位值的原子“互锁”操作，包括 Logical OR。这些可能对您避免关键部分有很大帮助。但要小心，因为正如 Raymond Chen 指出的那样，they don't solve everything。继续阅读该帖子，直到您理解为止！

【讨论】：

Interlocked* 函数实际上与临界区相当，至少在两个线程尝试同时进入一个区之前，当一个真正的内核对象（事件 IIRC）被创建时。到那时，Interlocked 可用于任何入口。另外，请注意，Interlocked ops 确实在 SMP 环境中施加了一些同步，并且比简单的集合重得多。但无论如何感谢您的详细回答！

【解决方案2】：

细节将取决于系统，也可能取决于编译器。我想您可能必须一直使用 32 位整数才能摆脱您担心的影响。

【讨论】：

我什至不确定 32 位值是否足够 - 所有 64 位架构上的 32 位操作都是原子操作吗？
@MSalters：在所有 32 位架构上，32 位操作也不一定是原子的（在我们需要的意义上）。 ARM 允许不连贯的缓存，因此操作是否是原子的，与本地 CPU 缓存无关，它不是原子的，与主内存无关。

【解决方案3】：

出于您指定的原因，我相信这是真的。
在我看来，如果您的位图存储为char[]，并且您的架构是字节可寻址的（可以在内存中读取和写入单个字节，而无需读取整个)，那么编译器可能会生成一个原子操作。即便如此，它是完全由实现定义的，所以你不能依赖它。

【讨论】：

我以一般的方式提出了这个问题，但在实践中，我的目标是常见的 x86 和 x64 平台。它们的任何变体是字节可寻址的，还是某些奇异架构的特性？