[導(dǎo)讀]作者:LiamHuang最近在討論多線程編程中的一個(gè)可能的falsesharing問(wèn)題時(shí),有人提出加volatile可能可以解決問(wèn)題。這種錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)荼毒多年,促使我寫(xiě)下這篇文章。約定Volatile這個(gè)話題,涉及到計(jì)算機(jī)科學(xué)多個(gè)領(lǐng)域多個(gè)層次的諸多細(xì)節(jié)。僅靠一篇博客,很難窮盡這些細(xì)...
作者:Liam Huang
最近在討論多線程編程中的一個(gè)可能的 false sharing 問(wèn)題時(shí),有人提出加 volatile 可能可以解決問(wèn)題。這種錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)荼毒多年,促使我寫(xiě)下這篇文章。
約定
Volatile 這個(gè)話題,涉及到計(jì)算機(jī)科學(xué)多個(gè)領(lǐng)域多個(gè)層次的諸多細(xì)節(jié)。僅靠一篇博客,很難窮盡這些細(xì)節(jié)。因此,若不對(duì)討論范圍做一些約定,很容易就有諸多漏洞。到時(shí)誤人子弟,就不好了。以下是一些基本的約定:
1. 這篇博文討論的 volatile 關(guān)鍵字,是 C 和 C 語(yǔ)言中的關(guān)鍵字。Java 等語(yǔ)言中,也有 volatile 關(guān)鍵字。但它們和 C/C 里的 volatile 不完全相同,不在這篇博文的討論范圍內(nèi)。
2. 這篇博文討論的 volatile 關(guān)鍵字,是限定在 C/C 標(biāo)準(zhǔn)之下的。這也就是說(shuō),我們討論的內(nèi)容應(yīng)該是與平臺(tái)無(wú)關(guān)的,同時(shí)也是與編譯器擴(kuò)展無(wú)關(guān)的。
3. 相應(yīng)的,這篇文章討論的「標(biāo)準(zhǔn)」指的是 C/C 的標(biāo)準(zhǔn),而不是其他什么東西。
4. 我們希望編寫(xiě)的代碼是 (1) 符合標(biāo)準(zhǔn)的,(2) 性能良好的,(3) 可移植的。這里 (1) 保證了代碼執(zhí)行結(jié)果的正確性,(2) 保證了高效性,(3) 體現(xiàn)了平臺(tái)無(wú)關(guān)性(以及編譯器擴(kuò)展等的無(wú)關(guān)性)。
含義
單詞 volatile 的含義
在談及 C/C 中的 volatile 關(guān)鍵字時(shí),總有人會(huì)拿 volatile 這個(gè)英文單詞的中文解釋說(shuō)事。他們把 volatile 翻譯作「易變的」。但事實(shí)上,對(duì)于翻譯來(lái)說(shuō),很多時(shí)候目標(biāo)語(yǔ)言很難找到一個(gè)詞能夠反映源語(yǔ)言中單詞的全部含義和細(xì)節(jié)。此處「易變的」就無(wú)法做到這一點(diǎn)。
Volatile 的意思,若要詳細(xì)理解,還是應(yīng)該查閱權(quán)威的英英字典。在柯林斯高階學(xué)習(xí)詞典中,volatile 是這樣解釋的:
A situation that is volatile is likely to change suddenly and unexpectedly.
這里對(duì) volatile 的解釋有三個(gè)精髓的形容詞和副詞,體現(xiàn)了 volatile 的含義。
1. likely:可能的。這意味著被 volatile 形容的對(duì)象「有可能也有可能不」發(fā)生改變,因此我們不能對(duì)這樣的對(duì)象的狀態(tài)做出任何假設(shè)。
2. suddenly:突然地。這意味著被 volatile 形容的對(duì)象可能發(fā)生瞬時(shí)改變。
3. unexpectedly:不可預(yù)期地。這與 likely 相互呼應(yīng),意味著被 volatile 形容的對(duì)象可能以各種不可預(yù)期的方式和時(shí)間發(fā)生更改。
因此,volatile 其實(shí)就是告訴我們,被它修飾的對(duì)象出現(xiàn)任何情況都不要奇怪,我們不能對(duì)它們做任何假設(shè)。
程序中 volatile 的含義
對(duì)于程序員來(lái)說(shuō),程序本身的任何行為都必須是可預(yù)期的。那么,在程序當(dāng)中,什么才叫 volatile 呢?這個(gè)問(wèn)題的答案也很簡(jiǎn)單:程序可能受到程序之外的因素影響。
考慮以下 C/C 代碼。
volatile int *p = /* ... */;int a, b;a = *p;b = *p;
若忽略 volatile,那么 p 就只是一個(gè)「指向 int 類型的指針」。這樣一來(lái),a = *p; 和 b = *p; 兩句,就只需要從內(nèi)存中讀取一次就夠了。因?yàn)閺膬?nèi)存中讀取一次之后,CPU 的寄存器中就已經(jīng)有了這個(gè)值;把這個(gè)值直接復(fù)用就可以了。這樣一來(lái),編譯器就會(huì)做優(yōu)化,把兩次訪存的操作優(yōu)化成一次。這樣做是基于一個(gè)假設(shè):我們?cè)诖a里沒(méi)有改變 p 指向內(nèi)存地址的值,那么這個(gè)值就一定不會(huì)發(fā)生改變。
此處說(shuō)的「讀取內(nèi)存」,包括了讀取 CPU 緩存和讀取計(jì)算機(jī)主存。
然而,由于 MMIP(Memory mapped I/O)的存在,這個(gè)假設(shè)不一定是真的。例如說(shuō),假設(shè) p 指向的內(nèi)存是一個(gè)硬件設(shè)備。這樣一來(lái),從 p 指向的內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)可能伴隨著可觀測(cè)的副作用:硬件狀態(tài)的修改。此時(shí),代碼的原意可能是將硬件設(shè)備返回的連續(xù)兩個(gè) int 分別保存在 a 和 b 當(dāng)中。這種情況下,編譯器的優(yōu)化就會(huì)導(dǎo)致程序行為不符合預(yù)期了。
總結(jié)來(lái)說(shuō),被 volatile 修飾的變量,在對(duì)其進(jìn)行讀寫(xiě)操作時(shí),會(huì)引發(fā)一些可觀測(cè)的副作用。而這些可觀測(cè)的副作用,是由程序之外的因素決定的。
關(guān)鍵字 volatile 的含義
CPP reference 網(wǎng)站是對(duì) C 和 C 語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)的整理。因此,絕大多數(shù)時(shí)候,我們可以通過(guò)這個(gè)網(wǎng)站對(duì)語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行查詢。關(guān)于 volatile 關(guān)鍵字,有 C 語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)和 C 語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)可查。這里摘錄兩份標(biāo)準(zhǔn)對(duì) volatile 訪問(wèn)的描述。
C 語(yǔ)言:Every access (both read and write) made through an lvalue expression of volatile-qualified type is considered an observable side effect for the purpose of optimization and is evaluated strictly according to the rules of the abstract machine (that is, all writes are completed at some time before the next sequence point). This means that within a single thread of execution, a volatile access cannot be optimized out or reordered relative to another visible side effect that is separated by a sequence point from the volatile access.
C 語(yǔ)言:Every access (read or write operation, member function call, etc.) made through a glvalue expression of volatile-qualified type is treated as a visible side-effect for the purposes of optimization (that is, within a single thread of execution, volatile accesses cannot be optimized out or reordered with another visible side effect that is sequenced-before or sequenced-after the volatile access. This makes volatile objects suitable for communication with a signal handler, but not with another thread of execution, see std::memory_order). Any attempt to refer to a volatile object through a non-volatile glvalue (e.g. through a reference or pointer to non-volatile type) results in undefined behavior.
這里首先解釋兩組概念:值類型和序列點(diǎn)(執(zhí)行序列)。
值類型指的是左值(lvalue)右值(rvalue)這些概念。關(guān)于左值和右值,前作有過(guò)介紹。簡(jiǎn)單的理解,左值可以出現(xiàn)在賦值等號(hào)的左邊,使用時(shí)取的是作為對(duì)象的身份;右值不可以出現(xiàn)在賦值等號(hào)的左邊,使用時(shí)取的是對(duì)象的值。除了 lvalue 和 rvalue,C 還定義了其他的值類型。其中,xvalue 大體可以理解為返回右值引用的函數(shù)調(diào)用或表達(dá)式,而 glvalue 則是 lvalue 和 xvalue 之和。
序列點(diǎn)則是 C/C 中討論執(zhí)行順序時(shí)會(huì)提到的概念。對(duì)于 C/C 的表達(dá)式來(lái)說(shuō),執(zhí)行表達(dá)式有兩種類型的動(dòng)作:(1) 計(jì)算某個(gè)值、(2) 副作用(例如訪問(wèn) volatile 對(duì)象,原子同步,修改文件等)。因此,如果在兩個(gè)表達(dá)式 E1 和 E2 中間有一個(gè)序列點(diǎn),或者在 C 中 E1 于序列中在 E2 之前,則 E1 的求值動(dòng)作和副作用都會(huì)在 E2 的求值動(dòng)作和副作用之前。關(guān)于序列點(diǎn)和序列順序規(guī)則,可以參考:這里和這里。
因此我們講,在 C/C 中,對(duì) volatile 對(duì)象的訪問(wèn),有編譯器優(yōu)化上的副作用:
1. 不允許被優(yōu)化消失(optimized out);
2. 于序列上在另一個(gè)對(duì) volatile 對(duì)象的訪問(wèn)之前。
這里提及的「不允許被優(yōu)化」表示對(duì) volatile 變量的訪問(wèn),編譯器不能做任何假設(shè)和推理,都必須按部就班地與「內(nèi)存」進(jìn)行交互。因此,上述例中「復(fù)用寄存器中的值」就是不允許的。
需要注意的是,無(wú)論是 C 還是 C 的標(biāo)準(zhǔn),對(duì)于 volatile 訪問(wèn)的序列性,都有單線程執(zhí)行的前提。其中 C 標(biāo)準(zhǔn)特別提及,這個(gè)順序性在多線程環(huán)境里不一定成立。
volatile 與多線程
volatile 可以解決多線程中的某些問(wèn)題,這一錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)荼毒多年。例如,在知乎「volatile」話題下的介紹就是「多線程開(kāi)發(fā)中保持可見(jiàn)性的關(guān)鍵字」。為了撥亂反正,這里先給出結(jié)論(注意這些結(jié)論都基于本文第一節(jié)提出的約定之上):
1. volatile 不能解決多線程中的問(wèn)題。
2. 按照 Hans Boehm
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LED驅(qū)動(dòng)電源的輸入包括高壓工頻交流(即市電)、低壓直流、高壓直流、低壓高頻交流(如電子變壓器的輸出)等。
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驅(qū)動(dòng)電源
在工業(yè)自動(dòng)化蓬勃發(fā)展的當(dāng)下,工業(yè)電機(jī)作為核心動(dòng)力設(shè)備,其驅(qū)動(dòng)電源的性能直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。其中,反電動(dòng)勢(shì)抑制與過(guò)流保護(hù)是驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的兩個(gè)環(huán)節(jié),集成化方案的設(shè)計(jì)成為提升電機(jī)驅(qū)動(dòng)性能的關(guān)鍵。
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工業(yè)電機(jī)
驅(qū)動(dòng)電源
LED 驅(qū)動(dòng)電源作為 LED 照明系統(tǒng)的 “心臟”,其穩(wěn)定性直接決定了整個(gè)照明設(shè)備的使用壽命。然而,在實(shí)際應(yīng)用中,LED 驅(qū)動(dòng)電源易損壞的問(wèn)題卻十分常見(jiàn),不僅增加了維護(hù)成本,還影響了用戶體驗(yàn)。要解決這一問(wèn)題,需從設(shè)計(jì)、生...
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驅(qū)動(dòng)電源
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散熱
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驅(qū)動(dòng)電源
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在LED照明技術(shù)日益普及的今天,LED驅(qū)動(dòng)電源的電磁干擾(EMI)問(wèn)題成為了一個(gè)不可忽視的挑戰(zhàn)。電磁干擾不僅會(huì)影響LED燈具的正常工作,還可能對(duì)周圍電子設(shè)備造成不利影響,甚至引發(fā)系統(tǒng)故障。因此,采取有效的硬件措施來(lái)解決L...
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LED照明技術(shù)
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驅(qū)動(dòng)電源
開(kāi)關(guān)電源具有效率高的特性,而且開(kāi)關(guān)電源的變壓器體積比串聯(lián)穩(wěn)壓型電源的要小得多,電源電路比較整潔,整機(jī)重量也有所下降,所以,現(xiàn)在的LED驅(qū)動(dòng)電源
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LED
驅(qū)動(dòng)電源
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LED驅(qū)動(dòng)電源是把電源供應(yīng)轉(zhuǎn)換為特定的電壓電流以驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光的電壓轉(zhuǎn)換器,通常情況下:LED驅(qū)動(dòng)電源的輸入包括高壓工頻交流(即市電)、低壓直流、高壓直流、低壓高頻交流(如電子變壓器的輸出)等。
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驅(qū)動(dòng)電源
LED驅(qū)動(dòng)電源在LED照明系統(tǒng)中扮演著至關(guān)重要的角色。由于LED具有節(jié)能、環(huán)保、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn),使得LED照明在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而,LED的電流、電壓特性需要特定的驅(qū)動(dòng)電源才能正常工作。本文將介紹常用的LED驅(qū)動(dòng)電...
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led照明
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人類社會(huì)的進(jìn)步離不開(kāi)社會(huì)上各行各業(yè)的努力,各種各樣的電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代離不開(kāi)我們的設(shè)計(jì)者的努力,其實(shí)很多人并不會(huì)去了解電子產(chǎn)品的組成,比如LED電源。
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LED
驅(qū)動(dòng)電源
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多路
LED
驅(qū)動(dòng)電源
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