问题

C/C++编译器在什么情况下不会重排语句?

回答
好的,我们来聊聊C/C++编译器在什么情况下会“老实”地按照我们写的顺序来执行语句,而不是擅自“搬运”它们。

其实,现代编译器为了榨干CPU性能,会进行大量的优化,其中就包括指令重排。这就像一个勤快的工头,为了让工人们(CPU核心)更有效率,会把任务调整一下顺序,争取让等待时间最短。但是,有些时候,这种“勤快”是会被阻止的,或者说,我们有办法让编译器乖乖地按照顺序来。

以下是几种主要的情况,在这些情况下,C/C++编译器通常不会重排语句:

1. 明确的内存顺序(Memory Order Constraints)

这是最直接、也是最根本的理由。在多线程编程中,我们经常需要确保多个线程对共享内存的访问是按照预期顺序进行的。编译器之所以敢重排,是因为它认为在单线程环境下,或者在没有明确内存依赖的情况下,重排不会改变程序的逻辑结果。但一旦涉及到跨线程的共享数据,事情就变得复杂了。

C++11引入了 `std::atomic` 类型以及相关的内存顺序(memory order)参数,就是为了解决这个问题。当你使用带有特定内存顺序的原子操作时,你就告诉了编译器:“嘿,这个操作以及它之前的某些操作,必须先于这个操作之后的操作执行,而且不能被搬到后面去!”

`std::memory_order_seq_cst` (Sequentially Consistent): 这是最强的内存顺序。它保证了全局的、统一的顺序,所有线程都会看到所有原子操作以同一个顺序发生。编译器绝对不会重排发生在 `seq_cst` 操作之前的、影响到该操作的语句,也不会将 `seq_cst` 操作之后的相关语句移到其前面。这有点像一个“绝对禁止”的标签,什么都别想在我前面发生,什么也别想在我后面发生。
`std::memory_order_acquire` / `std::memory_order_release`: 这对组合通常用于实现锁或者标志位的同步。`release` 操作确保其之前的写操作对后续的 `acquire` 操作可见,并且 `acquire` 操作之后的操作不会被重排到 `acquire` 操作之前。
`std::memory_order_acq_rel`: 结合了 `acquire` 和 `release` 的功能。

举个例子:

```c++
include
include
include

std::atomic data{0};
std::atomic ready{false};

void writer() {
data.store(10, std::memory_order_release); // 写入数据,并标记为“准备好”
ready.store(true, std::memory_order_release);
}

void reader() {
while (!ready.load(std::memory_order_acquire)) { // 等待“准备好”标志
// 忙等待...
}
// 此时,compiler cannot reorder data.load() to happen before ready.load()
// And it cannot reorder anything after ready.load() to before it.
int val = data.load(std::memory_order_acquire); // 读取数据
std::cout << "Read value: " << val << std::endl;
}

int main() {
std::thread t1(writer);
std::thread t2(reader);
t1.join();
t2.join();
return 0;
}
```

在这个例子中,`ready.store(true, std::memory_order_release)` 之前的所有写操作(比如 `data.store(10, std::memory_order_release)`)都会被“绑定”住,不能被重排到 `ready.store` 之后。同样,`ready.load(std::memory_order_acquire)` 之后的操作(比如 `data.load()`)也不会被重排到 `ready.load` 之前。

2. 数据依赖(Data Dependencies)

这是编译器在优化时最基本的规则之一。如果一个语句的结果被后续的语句所使用,那么编译器通常不会将这个后续语句的执行顺序“提到”其依赖的前面。如果重排了,那么后续语句获取到的就是“旧的”或者“错误的结果”,这会直接导致程序的逻辑错误。

直接数据依赖: 语句 B 使用了语句 A 的输出作为输入。
反向数据依赖: 语句 B 写入了语句 A 之前读取的同一个变量,并且语句 A 的结果依赖于这个变量的旧值。
输出数据依赖: 语句 B 和语句 A 都写入同一个变量。

举个例子:

```c++
int a = 5;
int b = a + 2; // b 依赖于 a 的值
int c = b 3; // c 依赖于 b 的值
```

在这里,`b` 的计算必须在 `a` 的赋值之后进行。`c` 的计算必须在 `b` 的计算之后进行。编译器知道这一点,所以它不会把 `c = b 3;` 这行代码“挪到” `b = a + 2;` 的前面。如果它这么做了,`b` 的值还没计算出来,`c` 就无法正确计算。

3. 控制依赖(Control Dependencies)

当一个语句的执行与某个条件判断(如 `if` 语句、循环的条件)相关联时,编译器也需要小心处理。如果一条语句的执行与否,或者它的具体执行内容,依赖于某个条件判断的结果,那么编译器通常不会将其重排到条件判断之前,除非它能证明重排不会改变控制流。

例子1:
```c++
if (condition) {
statement_a;
}
statement_b; // statement_b 的执行可能依赖于 statement_a 的执行(尽管这里不是直接数据依赖,而是逻辑上的)
```
编译器可能会重排 `statement_b`,但如果 `statement_b` 是 `statement_a` 的结果的消费者,或者 `statement_b` 本身是另一个影响控制流的语句,编译器就会谨慎。

更严格的控制依赖:
```c++
int x = 10;
if (x > 0) {
x = 20; // 语句 A
}
int y = x + 5; // 语句 B
```
编译器知道 `y` 的值取决于 `x` 在 `if` 语句之后的最终值。它不会把 `y = x + 5;` 挪到 `if (x > 0)` 之前,因为那样 `x` 可能还没有被赋值,或者 `if` 语句的条件判断可能还没执行。

4. 引入“障碍”(Barriers)的指令或关键字

除了 `std::atomic` 的内存顺序,还有一些更底层的机制可以强制实现顺序:

`asm volatile("" ::: "memory");` (GCC/Clang):这是在GCC和Clang中常用的一种“禁令”。`asm volatile("" ...)` 语句本身不做任何事情,它只是一个空的汇编块。`"memory"` 约束告诉编译器,这个汇编块会“读写”或“影响”内存中的所有变量。因此,编译器必须确保在该汇编块之前的所有内存访问(读写)都完成,并且不能将该汇编块之后的内存访问“提前”到之前。这就像在你的代码流程中插入了一个“内存栅栏”,迫使编译器在它之前完成所有与内存相关的操作。

```c++
int x = 1;
int y = 2;
// 编译器可能会重排 x 和 y 的读写
asm volatile("" ::: "memory"); // 插入内存栅栏
// 之后的操作,编译器必须确保之前的内存操作都已完成
int z = x + y;
```
在这里,`asm volatile("" ::: "memory");` 会阻止编译器将 `z = x + y;` 的计算(或者说,`x` 和 `y` 的读取)挪到 `asm volatile` 之前。

compiler intrinsics(编译器内建函数): 某些特定的内建函数(如用于SIMD指令的函数)可能带有隐含的内存顺序保证,或者需要特定的指令来确保操作顺序。

5. C/C++标准中定义的非重排行为

C/C++ 标准本身也对某些操作的顺序性做出了规定。例如:

函数调用: 在一个函数调用之前的所有语句,原则上会按顺序执行完毕,然后才会进入函数体。函数调用返回后,才会执行调用点之后的语句。虽然函数体内可以有重排,但函数调用本身是一个“序列点”,它分隔了函数调用之前和之后的操作。
表达式的副作用: C++标准规定了表达式中子表达式求值的顺序(尽管具体顺序可能在某些情况下仍然可以被优化,但某些序列点强制了执行顺序)。例如,在 `a() + b()` 中,`a()` 和 `b()` 的求值顺序在 C++17 之前是不确定的,但 C++17 之后,`a()` 和 `b()` 的求值顺序是确定的(从左到右),如果它们有副作用。但更重要的是,如果一个语句的副作用会影响后续语句的执行(例如,改变后续语句的输入),编译器会考虑这种依赖。
赋值运算符的序列点: 某些赋值运算符(如 `&&`、`||`、`?:`)引入了序列点,它们强制了其中一部分的求值必须在另一部分之前完成。

6. 优化级别(Optimization Levels)

需要注意的是,编译器是否会进行重排,以及重排的程度,很大程度上取决于编译器的优化级别(如 `O0`, `O1`, `O2`, `O3`)。

`O0` (No Optimization): 在这个级别,编译器进行的重排非常少,它会尽可能地按照源代码的顺序来生成机器码。这是调试时最常用的级别。
`O1`, `O2`, `O3` (Optimization Levels): 随着优化级别的提高,编译器会越发激进地进行重排,以追求更高的性能。

总结一下,编译器不会重排语句的主要原因可以归结为:

为了维护程序的逻辑正确性(数据依赖、控制依赖)。
为了满足多线程环境下的同步要求(原子操作的内存顺序)。
通过特定的指令或关键字(如 `asm volatile("memory")`)强行插入“障碍”。
C/C++ 标准本身定义的序列点和求值顺序。

理解这些,就能更好地控制程序的行为,特别是在并发和性能敏感的场景下。记住,当你想让编译器“乖乖听话”时,通常需要付出一定的性能代价(例如 `std::memory_order_seq_cst` 比 `memory_order_relaxed` 慢)。

网友意见

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重排跟volatile没关系。

volatile是为了阻止编译器把取值操作给优化掉。

如果要保证语句顺序,唯一的办法是加mb(atomic或者锁,内部也是靠mb保证这点)。

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