CPU无序效应测试程序

我编写了一个多线程程序来演示英特尔处理器的无序效应。这个程序附在这篇文章的末尾。 预期结果应该是当handler1将x打印为42或0时。但是，实际结果始终为42，这意味着不会发生无序效应

我用命令“gcc-pthread-o0ofordertest.c”编译了这个程序 我在英特尔IvyBridge处理器英特尔（R）至强（R）CPU E5-1650 v2上的Ubuntu12.04 LTS（Linux内核3.8.0-29-generic）上运行编译后的程序

有人知道我应该怎么做才能看到无序效应吗

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>

int f = 0, x = 0;

void* handler1(void *data)
{
    while (f == 0);
    // Memory fence required here
    printf("%d\n", x);
}

void* handler2(void *data)
{
    x = 42;
    // Memory fence required here
    f = 1;
}

int main(int argc, char argv[])
{
    pthread_t tid1, tid2;

    pthread_create(&tid1, NULL, handler1, NULL);
    pthread_create(&tid2, NULL, handler2, NULL);

    sleep(1);
    return 0;
}

#包括
#包括
#包括
int f=0，x=0；
void*handler1（void*data）
{
而（f==0）；
//此处需要内存围栏
printf（“%d\n”，x）；
}
void*handler2（void*data）
{
x=42；
//此处需要内存围栏
f=1；
}
int main（int argc，char argv[]
{
pthread_t tid1，tid2；
pthread_create（&tid1，NULL，handler1，NULL）；
pthread_create（&tid2，NULL，handler2，NULL）；
睡眠（1）；
返回0；
}

您将竞争条件与无序执行范例混为一谈。不幸的是，我非常确定您不能“公开”无序执行，因为它是以这样一种方式显式设计和实现的，即保护您（正在运行的程序及其数据）不受其影响

更具体地说：无序执行完全发生在CPU的“内部”。无序指令的结果不会直接发布到寄存器文件，而是排队以保持顺序。 因此，即使指令本身被无序执行（基于主要确保这些指令可以彼此独立运行的各种规则），它们的结果也总是按照外部观察者预期的正确顺序重新排序

您的程序所做的是：它尝试（非常粗糙）要模拟一种竞争条件，在这种竞争条件下，您希望看到

f

的分配在

x

和之前完成，同时您希望上下文切换正好在此时发生和，您假定新线程将调度在与另一个。 然而，正如我在上面解释的那样，即使你幸运地达到了列出的所有条件（在

f

赋值之后，但在

x

赋值之前安排第二个线程并且在同一个CPU核上安排新线程）-这本身就是一个极低概率的事件-即使如此，您真正暴露的只是潜在的竞争条件，而不是无序执行

很抱歉让您失望，但您的程序无法帮助您观察无序执行效果。至少不具有足够高的可能性，因此不具有实用性

您可以在此处阅读更多有关无序执行的信息：

更新 经过一些思考，我认为您可以立即修改指令，以期暴露无序的执行。但即使这样，我担心这种方法也会失败，因为新的“更新”指令不会正确地反映在CPU的管道中。我的意思是：CPU很可能已经获取并解析了您要修改的指令，因此将执行的内容将不再匹配内存字的内容（即使是CPU的一级缓存中的内容）。

---

但是，假设这种技术可以帮助您，它需要直接在汇编中进行一些高级编程，并且需要您的代码以最高权限级别（环0）运行。我建议在编写自修改代码时要格外小心，因为它有很大的潜在副作用。

请注意：以下内容仅针对内存重新排序。据我所知，您无法在管道外观察到无序执行，因为这将导致CPU无法遵守其接口。（例如：你应该告诉英特尔，这将是一个bug）。具体来说，必须在重新排序缓冲区和指令失效记账中出现故障

根据（特别是第3A卷第8.2.3.4节）：

Intel-64内存排序模型允许使用早期存储将负载重新排序到其他位置

它还规定（我在总结，但所有这些都在第8.2节内存排序中提供，并在第8.2.3节中提供了示例），加载永远不会与加载一起重新排序，存储永远不会与存储一起重新排序，存储永远不会与早期加载一起重新排序。这意味着Intel 64中的这些操作之间存在隐式隔离（弱类型中的3个）

为了观察内存的重新排序，您只需要非常仔细地实现该示例，以便实际观察效果。我所做的充分实现证明了这一点。（我将在随附的帖子中跟进更多细节）

基本上，第一个线程（示例中的处理器0）执行以下操作：

    x = 1;
#if CPU_FENCE
    __cpu_fence();
#endif
    r1 = y;

    y = 1;
#if CPU_FENCE
    __cpu_fence();
#endif
    r2 = x;

在自己线程中的

while

循环内部（使用

SCHED_FIFO:99固定到CPU）

第二个（我的演示中的观察者）执行以下操作：

    x = 1;
#if CPU_FENCE
    __cpu_fence();
#endif
    r1 = y;

    y = 1;
#if CPU_FENCE
    __cpu_fence();
#endif
    r2 = x;

也在
while
循环中，在其自己的线程中使用相同的调度程序设置

重新排序检查如下（与示例中的规定完全相同）：

禁用
CPU\u围栏后，我看到：

[  0][myles][~/projects/...](master) sudo ./build/ooo
after 100000 attempts, 754 reorders observed

启用
CPU_FENCE
后（使用“重量级”
mfence
指令），我看到：

我希望这能为你澄清一些事情
 这不是无序，而是一种竞赛条件。（顺便说一句，x86是一种有序加载/存储体系结构。）@Olaf，感谢您的评论。但是，根据，x86至少存在存储后加载问题。如果它对一个内核有数据依赖性，我知道硬件将保持秩序。否则，可能会出现故障机制