Warum bleibt mein optimiertes Multithread-Programm stehen und wie können atomare Variablen das Problem beheben?

Optimiertes Multithreading-Programm im optimierten Modus blockiert: Auflösung durch atomare Variablen

Betrachten Sie das folgende Multithreading-Programm:

static bool finished = false;

int func() {
    size_t i = 0;
    while (!finished) { ++i; }
    return i;
}

int main() {
    auto result = std::async(std::launch::async, func);
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
    finished = true;
    std::cout << "result = " << result.get();
    std::cout << "\nmain thread>

Dieses Programm funktioniert wie erwartet im Debug-Modus oder mit dem Optimierungsflag -O0. Bei der Ausführung im Release-Modus oder mit den Optimierungsflags -O1, -O2 oder -O3 tritt jedoch ein Problem auf und es wird keine Ausgabe bereitgestellt.

Ursache und Lösung

Die Ursache des Problems liegt im gleichzeitigen Zugriff auf die nicht-atomare und unbewachte Variable, der durch mehrere Threads erfolgt. Diese Variable garantiert keine Atomizität, was zu undefiniertem Verhalten führt. Um dies zu beheben, sollte „finished“ als std::atomic:

static std::atomic<bool> finished = false;

definiert werden. Dadurch wird das Problem behoben und das Programm kann erfolgreich im optimierten Modus ausgeführt werden und zeigt die gewünschte Ausgabe an:

result = 1023045342
main thread>

Bedeutung von std::atomic

Atomvariablen, B. std::atomic, gewährleisten den gleichzeitigen Zugriff auf und die Änderung gemeinsamer Daten auf wohldefinierte und threadsichere Weise. Sie verhindern unerwartetes Verhalten wie Tearing und schützen vor Compiler-Optimierungen, die den korrekten Programmablauf unbeabsichtigt verändern können.

Zusätzliche Überlegungen

Während die Verwendung atomarer Variablen die Parallelitätssicherheit erheblich verbessert, Es ist wichtig zu wissen, dass Optimierungen weitreichende Folgen haben können. Beispielsweise könnten Compiler ungeschützte Variablen in Register optimieren oder redundante Zugriffe eliminieren, um die Leistung zu verbessern. Um unbeabsichtigte Optimierungen zu verhindern, sind ein ordnungsgemäßer Variablenschutz und explizite Anweisungen an den Compiler von entscheidender Bedeutung.

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