Является ли эта реализация C++ для атомного плавающего безопасна?
Изменить: В этом коде все еще есть некоторые ошибки, и он может работать лучше в отделе производительности, но вместо того, чтобы попытаться это исправить, для справки, я передал проблему в дискуссионные группы Intel и получил много хороших отзывов, и если все пойдет хорошо, отполированная версия Atomic float будет включена в ближайший выпуск Intel Threading Building Blocks.
Хорошо, вот сложный вопрос, я хочу плавание Atomic, не для сверхбыстрой графической производительности, а для регулярного использования в качестве членов данных классов. И я не хочу платить цену за использование замков в этих классах, потому что это не дает никаких дополнительных преимуществ для моих нужд.
Теперь с Intel TBB и другими атомарными библиотеками, которые я видел, поддерживаются целочисленные типы, но не с плавающей точкой. Поэтому я продолжил и реализовал один, и он работает... но я не уверен, действительно ли он работает, или мне просто очень повезло, что он работает.
Кто-нибудь здесь знает, если это не какая-то форма ереси потоков?
typedef unsigned int uint_32;
struct AtomicFloat
{
private:
tbb::atomic<uint_32> atomic_value_;
public:
template<memory_semantics M>
float fetch_and_store( float value )
{
const uint_32 value_ = atomic_value_.tbb::atomic<uint_32>::fetch_and_store<M>((uint_32&)value);
return reinterpret_cast<const float&>(value_);
}
float fetch_and_store( float value )
{
const uint_32 value_ = atomic_value_.tbb::atomic<uint_32>::fetch_and_store((uint_32&)value);
return reinterpret_cast<const float&>(value_);
}
template<memory_semantics M>
float compare_and_swap( float value, float comparand )
{
const uint_32 value_ = atomic_value_.tbb::atomic<uint_32>::compare_and_swap<M>((uint_32&)value,(uint_32&)compare);
return reinterpret_cast<const float&>(value_);
}
float compare_and_swap(float value, float compare)
{
const uint_32 value_ = atomic_value_.tbb::atomic<uint_32>::compare_and_swap((uint_32&)value,(uint_32&)compare);
return reinterpret_cast<const float&>(value_);
}
operator float() const volatile // volatile qualifier here for backwards compatibility
{
const uint_32 value_ = atomic_value_;
return reinterpret_cast<const float&>(value_);
}
float operator=(float value)
{
const uint_32 value_ = atomic_value_.tbb::atomic<uint_32>::operator =((uint_32&)value);
return reinterpret_cast<const float&>(value_);
}
float operator+=(float value)
{
volatile float old_value_, new_value_;
do
{
old_value_ = reinterpret_cast<float&>(atomic_value_);
new_value_ = old_value_ + value;
} while(compare_and_swap(new_value_,old_value_) != old_value_);
return (new_value_);
}
float operator*=(float value)
{
volatile float old_value_, new_value_;
do
{
old_value_ = reinterpret_cast<float&>(atomic_value_);
new_value_ = old_value_ * value;
} while(compare_and_swap(new_value_,old_value_) != old_value_);
return (new_value_);
}
float operator/=(float value)
{
volatile float old_value_, new_value_;
do
{
old_value_ = reinterpret_cast<float&>(atomic_value_);
new_value_ = old_value_ / value;
} while(compare_and_swap(new_value_,old_value_) != old_value_);
return (new_value_);
}
float operator-=(float value)
{
return this->operator+=(-value);
}
float operator++()
{
return this->operator+=(1);
}
float operator--()
{
return this->operator+=(-1);
}
float fetch_and_add( float addend )
{
return this->operator+=(-addend);
}
float fetch_and_increment()
{
return this->operator+=(1);
}
float fetch_and_decrement()
{
return this->operator+=(-1);
}
};
Спасибо!
Изменить: изменил size_t на uint32_t, как предложил Грег Роджерс, таким образом, он более переносим
Редактировать: добавлен список для всей вещи, с некоторыми исправлениями.
Дополнительные правки: с точки зрения производительности использование заблокированного числа с плавающей запятой для 5.000.000 += операций с 100 потоками на моей машине занимает 3,6 с, в то время как мой атомарный метод с плавающей запятой занимает 0,2 с, чтобы выполнить ту же работу. Таким образом, повышение производительности>30x означает, что оно того стоит (и это главное), если оно правильное.
Еще больше правок : как указал Авн мой fetch_and_xxxx части были все не так. Исправлено это и удалены части API, в которых я не уверен (шаблонные модели памяти). И реализовал другие операции с точки зрения оператора + =, чтобы избежать повторения кода
Добавлено: добавлены оператор *= и оператор /=, так как без них плавающие числа не были бы плавающими. Благодаря комментарию Петерчен, что это было замечено
Редактировать: следует последняя версия кода (хотя я оставлю старую версию для справки)
#include <tbb/atomic.h>
typedef unsigned int uint_32;
typedef __TBB_LONG_LONG uint_64;
template<typename FLOATING_POINT,typename MEMORY_BLOCK>
struct atomic_float_
{
/* CRC Card -----------------------------------------------------
| Class: atmomic float template class
|
| Responsability: handle integral atomic memory as it were a float,
| but partially bypassing FPU, SSE/MMX, so it is
| slower than a true float, but faster and smaller
| than a locked float.
| *Warning* If your float usage is thwarted by
| the A-B-A problem this class isn't for you
| *Warning* Atomic specification says we return,
| values not l-values. So (i = j) = k doesn't work.
|
| Collaborators: intel's tbb::atomic handles memory atomicity
----------------------------------------------------------------*/
typedef typename atomic_float_<FLOATING_POINT,MEMORY_BLOCK> self_t;
tbb::atomic<MEMORY_BLOCK> atomic_value_;
template<memory_semantics M>
FLOATING_POINT fetch_and_store( FLOATING_POINT value )
{
const MEMORY_BLOCK value_ =
atomic_value_.tbb::atomic<MEMORY_BLOCK>::fetch_and_store<M>((MEMORY_BLOCK&)value);
//atomic specification requires returning old value, not new one
return reinterpret_cast<const FLOATING_POINT&>(value_);
}
FLOATING_POINT fetch_and_store( FLOATING_POINT value )
{
const MEMORY_BLOCK value_ =
atomic_value_.tbb::atomic<MEMORY_BLOCK>::fetch_and_store((MEMORY_BLOCK&)value);
//atomic specification requires returning old value, not new one
return reinterpret_cast<const FLOATING_POINT&>(value_);
}
template<memory_semantics M>
FLOATING_POINT compare_and_swap( FLOATING_POINT value, FLOATING_POINT comparand )
{
const MEMORY_BLOCK value_ =
atomic_value_.tbb::atomic<MEMORY_BLOCK>::compare_and_swap<M>((MEMORY_BLOCK&)value,(MEMORY_BLOCK&)compare);
//atomic specification requires returning old value, not new one
return reinterpret_cast<const FLOATING_POINT&>(value_);
}
FLOATING_POINT compare_and_swap(FLOATING_POINT value, FLOATING_POINT compare)
{
const MEMORY_BLOCK value_ =
atomic_value_.tbb::atomic<MEMORY_BLOCK>::compare_and_swap((MEMORY_BLOCK&)value,(MEMORY_BLOCK&)compare);
//atomic specification requires returning old value, not new one
return reinterpret_cast<const FLOATING_POINT&>(value_);
}
operator FLOATING_POINT() const volatile // volatile qualifier here for backwards compatibility
{
const MEMORY_BLOCK value_ = atomic_value_;
return reinterpret_cast<const FLOATING_POINT&>(value_);
}
//Note: atomic specification says we return the a copy of the base value not an l-value
FLOATING_POINT operator=(FLOATING_POINT rhs)
{
const MEMORY_BLOCK value_ = atomic_value_.tbb::atomic<MEMORY_BLOCK>::operator =((MEMORY_BLOCK&)rhs);
return reinterpret_cast<const FLOATING_POINT&>(value_);
}
//Note: atomic specification says we return an l-value when operating among atomics
self_t& operator=(self_t& rhs)
{
const MEMORY_BLOCK value_ = atomic_value_.tbb::atomic<MEMORY_BLOCK>::operator =((MEMORY_BLOCK&)rhs);
return *this;
}
FLOATING_POINT& _internal_reference() const
{
return reinterpret_cast<FLOATING_POINT&>(atomic_value_.tbb::atomic<MEMORY_BLOCK>::_internal_reference());
}
FLOATING_POINT operator+=(FLOATING_POINT value)
{
FLOATING_POINT old_value_, new_value_;
do
{
old_value_ = reinterpret_cast<FLOATING_POINT&>(atomic_value_);
new_value_ = old_value_ + value;
//floating point binary representation is not an issue because
//we are using our self's compare and swap, thus comparing floats and floats
} while(self_t::compare_and_swap(new_value_,old_value_) != old_value_);
return (new_value_); //return resulting value
}
FLOATING_POINT operator*=(FLOATING_POINT value)
{
FLOATING_POINT old_value_, new_value_;
do
{
old_value_ = reinterpret_cast<FLOATING_POINT&>(atomic_value_);
new_value_ = old_value_ * value;
//floating point binary representation is not an issue becaus
//we are using our self's compare and swap, thus comparing floats and floats
} while(self_t::compare_and_swap(new_value_,old_value_) != old_value_);
return (new_value_); //return resulting value
}
FLOATING_POINT operator/=(FLOATING_POINT value)
{
FLOATING_POINT old_value_, new_value_;
do
{
old_value_ = reinterpret_cast<FLOATING_POINT&>(atomic_value_);
new_value_ = old_value_ / value;
//floating point binary representation is not an issue because
//we are using our self's compare and swap, thus comparing floats and floats
} while(self_t::compare_and_swap(new_value_,old_value_) != old_value_);
return (new_value_); //return resulting value
}
FLOATING_POINT operator-=(FLOATING_POINT value)
{
return this->operator+=(-value); //return resulting value
}
//Prefix operator
FLOATING_POINT operator++()
{
return this->operator+=(1); //return resulting value
}
//Prefix operator
FLOATING_POINT operator--()
{
return this->operator+=(-1); //return resulting value
}
//Postfix operator
FLOATING_POINT operator++(int)
{
const FLOATING_POINT temp = this;
this->operator+=(1);
return temp//return resulting value
}
//Postfix operator
FLOATING_POINT operator--(int)
{
const FLOATING_POINT temp = this;
this->operator+=(1);
return temp//return resulting value
}
FLOATING_POINT fetch_and_add( FLOATING_POINT addend )
{
const FLOATING_POINT old_value_ = atomic_value_;
this->operator+=(addend);
//atomic specification requires returning old value, not new one as in operator x=
return old_value_;
}
FLOATING_POINT fetch_and_increment()
{
const FLOATING_POINT old_value_ = atomic_value_;
this->operator+=(+1);
//atomic specification requires returning old value, not new one as in operator x=
return old_value_;
}
FLOATING_POINT fetch_and_decrement()
{
const FLOATING_POINT old_value_ = atomic_value_;
this->operator+=(-1);
//atomic specification requires returning old value, not new one as in operator x=
return old_value_;
}
};
typedef atomic_float_<float,uint_32> AtomicFloat;
typedef atomic_float_<double,uint_64> AtomicDouble;
8 ответов
Я бы серьезно посоветовал против публичного наследства. Я не знаю, на что похожа атомарная реализация, но я предполагаю, что в ней есть перегруженные операторы, которые используют ее в качестве целочисленного типа, что означает, что эти промоакции будут использоваться вместо вашего float во многих (может быть, в большинстве?) Случаях.
Я не вижу причин, почему это не сработает, но, как и вам, я должен доказать это...
Одно примечание: ваш operator float() подпрограмма не имеет семантики получения нагрузки, и не должна ли она быть помечена как const volatile (или определенно, по крайней мере, const)?
РЕДАКТИРОВАТЬ: Если вы собираетесь предоставить оператор -(), вы должны предоставить обе формы префикса / постфикса.
Похоже, ваша реализация предполагает, что sizeof(size_t) == sizeof(float), Это всегда будет верно для ваших целевых платформ?
И я бы не сказал, что ересь нить так сильно, как ересь.:)
Это состояние кода в том виде, в каком оно существует сейчас после переговоров на платах Intel, но до сих пор не было тщательно проверено на корректную работу во всех сценариях.
#include <tbb/atomic.h>
typedef unsigned int uint_32;
typedef __TBB_LONG_LONG uint_64;
template<typename FLOATING_POINT,typename MEMORY_BLOCK>
struct atomic_float_
{
/* CRC Card -----------------------------------------------------
| Class: atmomic float template class
|
| Responsability: handle integral atomic memory as it were a float,
| but partially bypassing FPU, SSE/MMX, so it is
| slower than a true float, but faster and smaller
| than a locked float.
| *Warning* If your float usage is thwarted by
| the A-B-A problem this class isn't for you
| *Warning* Atomic specification says we return,
| values not l-values. So (i = j) = k doesn't work.
|
| Collaborators: intel's tbb::atomic handles memory atomicity
----------------------------------------------------------------*/
typedef typename atomic_float_<FLOATING_POINT,MEMORY_BLOCK> self_t;
tbb::atomic<MEMORY_BLOCK> atomic_value_;
template<memory_semantics M>
FLOATING_POINT fetch_and_store( FLOATING_POINT value )
{
const MEMORY_BLOCK value_ =
atomic_value_.tbb::atomic<MEMORY_BLOCK>::fetch_and_store<M>((MEMORY_BLOCK&)value);
//atomic specification requires returning old value, not new one
return reinterpret_cast<const FLOATING_POINT&>(value_);
}
FLOATING_POINT fetch_and_store( FLOATING_POINT value )
{
const MEMORY_BLOCK value_ =
atomic_value_.tbb::atomic<MEMORY_BLOCK>::fetch_and_store((MEMORY_BLOCK&)value);
//atomic specification requires returning old value, not new one
return reinterpret_cast<const FLOATING_POINT&>(value_);
}
template<memory_semantics M>
FLOATING_POINT compare_and_swap( FLOATING_POINT value, FLOATING_POINT comparand )
{
const MEMORY_BLOCK value_ =
atomic_value_.tbb::atomic<MEMORY_BLOCK>::compare_and_swap<M>((MEMORY_BLOCK&)value,(MEMORY_BLOCK&)compare);
//atomic specification requires returning old value, not new one
return reinterpret_cast<const FLOATING_POINT&>(value_);
}
FLOATING_POINT compare_and_swap(FLOATING_POINT value, FLOATING_POINT compare)
{
const MEMORY_BLOCK value_ =
atomic_value_.tbb::atomic<MEMORY_BLOCK>::compare_and_swap((MEMORY_BLOCK&)value,(MEMORY_BLOCK&)compare);
//atomic specification requires returning old value, not new one
return reinterpret_cast<const FLOATING_POINT&>(value_);
}
operator FLOATING_POINT() const volatile // volatile qualifier here for backwards compatibility
{
const MEMORY_BLOCK value_ = atomic_value_;
return reinterpret_cast<const FLOATING_POINT&>(value_);
}
//Note: atomic specification says we return the a copy of the base value not an l-value
FLOATING_POINT operator=(FLOATING_POINT rhs)
{
const MEMORY_BLOCK value_ = atomic_value_.tbb::atomic<MEMORY_BLOCK>::operator =((MEMORY_BLOCK&)rhs);
return reinterpret_cast<const FLOATING_POINT&>(value_);
}
//Note: atomic specification says we return an l-value when operating among atomics
self_t& operator=(self_t& rhs)
{
const MEMORY_BLOCK value_ = atomic_value_.tbb::atomic<MEMORY_BLOCK>::operator =((MEMORY_BLOCK&)rhs);
return *this;
}
FLOATING_POINT& _internal_reference() const
{
return reinterpret_cast<FLOATING_POINT&>(atomic_value_.tbb::atomic<MEMORY_BLOCK>::_internal_reference());
}
FLOATING_POINT operator+=(FLOATING_POINT value)
{
FLOATING_POINT old_value_, new_value_;
do
{
old_value_ = reinterpret_cast<FLOATING_POINT&>(atomic_value_);
new_value_ = old_value_ + value;
//floating point binary representation is not an issue because
//we are using our self's compare and swap, thus comparing floats and floats
} while(self_t::compare_and_swap(new_value_,old_value_) != old_value_);
return (new_value_); //return resulting value
}
FLOATING_POINT operator*=(FLOATING_POINT value)
{
FLOATING_POINT old_value_, new_value_;
do
{
old_value_ = reinterpret_cast<FLOATING_POINT&>(atomic_value_);
new_value_ = old_value_ * value;
//floating point binary representation is not an issue becaus
//we are using our self's compare and swap, thus comparing floats and floats
} while(self_t::compare_and_swap(new_value_,old_value_) != old_value_);
return (new_value_); //return resulting value
}
FLOATING_POINT operator/=(FLOATING_POINT value)
{
FLOATING_POINT old_value_, new_value_;
do
{
old_value_ = reinterpret_cast<FLOATING_POINT&>(atomic_value_);
new_value_ = old_value_ / value;
//floating point binary representation is not an issue because
//we are using our self's compare and swap, thus comparing floats and floats
} while(self_t::compare_and_swap(new_value_,old_value_) != old_value_);
return (new_value_); //return resulting value
}
FLOATING_POINT operator-=(FLOATING_POINT value)
{
return this->operator+=(-value); //return resulting value
}
//Prefix operator
FLOATING_POINT operator++()
{
return this->operator+=(1); //return resulting value
}
//Prefix operator
FLOATING_POINT operator--()
{
return this->operator+=(-1); //return resulting value
}
//Postfix operator
FLOATING_POINT operator++(int)
{
const FLOATING_POINT temp = this;
this->operator+=(1);
return temp//return resulting value
}
//Postfix operator
FLOATING_POINT operator--(int)
{
const FLOATING_POINT temp = this;
this->operator+=(1);
return temp//return resulting value
}
FLOATING_POINT fetch_and_add( FLOATING_POINT addend )
{
const FLOATING_POINT old_value_ = atomic_value_;
this->operator+=(addend);
//atomic specification requires returning old value, not new one as in operator x=
return old_value_;
}
FLOATING_POINT fetch_and_increment()
{
const FLOATING_POINT old_value_ = atomic_value_;
this->operator+=(+1);
//atomic specification requires returning old value, not new one as in operator x=
return old_value_;
}
FLOATING_POINT fetch_and_decrement()
{
const FLOATING_POINT old_value_ = atomic_value_;
this->operator+=(-1);
//atomic specification requires returning old value, not new one as in operator x=
return old_value_;
}
};
typedef atomic_float_<float,uint_32> AtomicFloat;
typedef atomic_float_<double,uint_64> AtomicDouble;
Просто примечание по этому поводу (я хотел сделать комментарий, но, очевидно, новым пользователям запрещено комментировать): Использование reinterpret_cast для ссылок приводит к некорректному коду с gcc 4.1 -O3. Кажется, это исправлено в 4.4, потому что там это работает. Изменение reinterpret_casts на указатели, хотя и несколько более уродливо, работает в обоих случаях.
Хотя размер uint32_t может быть эквивалентен размеру с плавающей точкой в заданной дуге, переосмысливая приведение от одного к другому, вы неявно предполагаете, что атомарные приращения, уменьшения и все другие операции над битами семантически эквивалентны для обоих типов, которых нет в реальности. Я сомневаюсь, что это работает как ожидалось.
Я сильно сомневаюсь, что вы получите правильные значения в fetch_and_add и т. Д., Поскольку добавление с плавающей точкой отличается от добавления int.
Вот что я получаю из этой арифметики:
1 + 1 = 1.70141e+038
100 + 1 = -1.46937e-037
100 + 0.01 = 1.56743e+038
23 + 42 = -1.31655e-036
Так что да, многопоточный, но не то, что вы ожидаете.
алгоритмы без блокировки (оператор + и т. д.) должны работать в отношении атомарности (не проверял сам алгоритм...)
Другое решение: Поскольку это все сложения и вычитания, вы можете дать каждому потоку свой экземпляр, а затем добавить результаты из нескольких потоков.
Пусть ваш компилятор сгенерирует ассемблерный код и посмотрите на него. Если операция является более чем одной инструкцией на языке ассемблера, то это не атомарная операция, и для правильной работы в многопроцессорных системах требуются блокировки.
К сожалению, я не уверен, что верно и обратное - что операции с одной инструкцией гарантированно будут атомарными. Я не знаю деталей многопроцессорного программирования до этого уровня. Я мог бы обосновать любой результат. (Если у кого-то еще есть определенная информация об этом, не стесняйтесь вмешиваться.)
После прочтения этого кода я был бы очень зол на такой компилятор, чтобы выпустить сборку для этого, который не был атомарным.