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编译器重排 data-race demo ​

把 concepts/memory-ordering/compiler-reordering.md 第六节讲的问题做成可亲手复现的例子:一个普通共享变量 flag + 自旋等待循环,在 -O2 下如何触发 data-race UB,以及换成 std::atomic 后如何变正确。

跨平台:Linux(g++) 与 macOS(clang++/c++, 含 Apple Silicon) 均已验证可跑。

一分钟上手 ​

bash
make          # 编译四个二进制
make run      # 一键对比:先跑正确的原子版,再跑错误的普通版(带 3 秒超时保护)

make run 你会看到两段输出的打印顺序不同——这就是全部重点:

bash
[正确] 原子版:   spinning → main setting → waiter saw      ← 顺序永远对
[错误] 普通版:   spinning → waiter saw → main setting      ← "saw" 跑到 "setting" 前面 = bug
                 (或:卡死 3 秒被超时杀掉 = 另一种表现)

两个源文件、四个二进制 ​

源文件宏二进制预期
reorder_demo.cpp(无)demo_plain错误:表现 A 死循环 或 表现 B 秒退且顺序颠倒
reorder_demo.cpp-DUSE_ATOMICdemo_atomic正确:setting 永远在 saw 之前
reorder_demo_spins.cpp(无)spins_plain错误:稳定死循环(循环体有副作用,编译器不敢删,但仍缓存 flag)
reorder_demo_spins.cpp-DUSE_ATOMICspins_atomic正确:正常退出,打印自旋了多少次

普通变量版的两种表现(都是同一个 data-race UB,取决于你的编译器/版本怎么选):

  • 表现 A —— 死循环卡住:编译器把 flag 的 load 提出循环、循环体退化成原地跳 → 等待线程永远看不到 true,要 Ctrl-C(make run 里 3 秒超时会替你杀掉)。
  • 表现 B —— 秒退且顺序颠倒:编译器认定"无副作用的自旋循环必然终止"(C++ 前进保证),直接把整个循环删掉 → 等待线程根本没等,saw 打在 main setting 之前。

想稳定看到表现 A(死循环),用 spins 版:

bash
make run-spins-atomic    # 正确:正常退出
make run-spins-plain     # 错误:稳定死循环(spins 疯涨),3 秒后超时终止

用反汇编坐实"编译器动了手脚" ​

bash
make asm                       # 生成 plain_O0.s / plain_O2.s / atomic_O2.s
diff plain_O0.s plain_O2.s     # 看普通版自旋循环:-O0 每轮有 flag 的 load,-O2 里没了
grep -n 'flag' atomic_O2.s     # 原子版 -O2 仍每轮真发 load
  • -O0 普通版:循环体每轮都有一条 flag 的 load(x86: movzbl flag(%rip),...;arm64: ldrb)。
  • -O2 普通版:循环体里 flag 的 load 消失——被提出循环(表现 A)或整段删掉(表现 B)。
  • -O2 原子版:循环体里仍每轮真发 load——所以能读到别的线程的写(MESI 那条链接得上)。

手动编译(不用 make) ​

bash
# Linux
g++ -O2 -std=c++17 -pthread            reorder_demo.cpp -o demo_plain    # 错误版
g++ -O2 -std=c++17 -pthread -DUSE_ATOMIC reorder_demo.cpp -o demo_atomic  # 正确版
# macOS(clang 自带,c++ 即 clang++)
c++ -O2 -std=c++17 -pthread            reorder_demo.cpp -o demo_plain
c++ -O2 -std=c++17 -pthread -DUSE_ATOMIC reorder_demo.cpp -o demo_atomic

说明与坑 ​

  • 必须 -O2:UB 只在优化下暴露,-O0 下普通版通常"碰巧能跑"——但那是运气不是正确(文档反复强调的点)。
  • 表现 A/B 因编译器而异:同一份代码,GCC / Clang / 不同版本可能给不同结果,甚至换 -O2/-O3/开 LTO 就变。这正是 UB 的定义——没有"标准答案",所以不能靠"我测过能跑"来赌。
  • 超时保护:make run 用 timeout(Linux 自带)或 gtimeout(macOS brew install coreutils)限 3 秒;都没有时退化成"后台跑 + 到点 kill"的可移植方案,所以 macOS 裸机也能安全跑,不会真卡死终端。
  • 结论:并发共享变量用 std::atomic(同时压住编译器重排 + 硬件可见性),别用裸变量 + 手动屏障。原理见 compiler-reordering.md、memory-order.md。