visual-c++ - 在MSVC中，为什么InterlockedOr和InterlockedAnd生成循环而不是简单的锁定指令？

Question

在 x64 的 MSVC (19.10.25019) 上，

    InterlockedOr(&g, 1) 

生成此代码序列:

    prefetchw BYTE PTR ?g@@3JC
    mov     eax, DWORD PTR ?g@@3JC                  ; g
    npad    3
$LL3@f:
    mov     ecx, eax
    or      ecx, 1
    lock cmpxchg DWORD PTR ?g@@3JC, ecx             ; g
    jne     SHORT $LL3@f

我本来期望更简单(并且无循环):

    mov      eax, 1
    lock or  [?g@@3JC], eax

InterlockedAnd 生成与 InterlockedOr 类似的代码。

这条指令必须有一个循环似乎效率极低。为什么会生成此代码？

(顺便说一句:我使用 InterlockedOr 的全部原因是对变量进行原子加载 - 我后来了解到 InterlockedCompareExchange 是实现变量的方法这样做。对我来说很奇怪的是没有 InterlockedLoad(&x)，但我离题了...)

Answer 1

InterlockedOr 的书面契约(Contract)它是否返回原始值:

InterlockedOr

Performs an atomic OR operation on the specified LONG values. The function prevents more than one thread from using the same variable simultaneously.

LONG __cdecl InterlockedOr(
  _Inout_ LONG volatile *Destination,
  _In_    LONG          Value
);

Parameters:

Destination [in, out]
A pointer to the first operand. This value will be replaced with the result of the operation.

Value [in]
The second operand.

Return value

The function returns the original value of the Destination parameter.

这就是为什么需要您观察到的不寻常代码。编译器不能简单地发出 OR instruction与 LOCK prefix ，因为 OR 指令不返回先前的值。相反，它必须使用奇怪的解决方法 LOCK CMPXCHG循环中。事实上，当底层硬件本身不支持互锁操作时，这种明显不寻常的序列是实现互锁操作的标准模式:捕获旧值，与新值执行互锁比较和交换，并继续尝试循环直到本次尝试的旧值等于捕获的旧值。

正如您所观察到的，您会在 InterlockedAnd 中看到同样的情况。 ，出于完全相同的原因:x86 AND instruction不返回原始值，因此代码生成器必须回退到涉及比较和交换的一般模式，这是硬件直接支持的。

请注意，至少在 InterlockedOr 作为内在函数实现的 x86 上，优化器足够智能，可以判断您是否正在使用返回值。如果是，那么它会使用涉及 CMPXCHG 的解决方法代码。如果您忽略返回值，那么它会继续并使用 LOCK OR 发出代码，就像您所期望的那样。

#include <intrin.h>


LONG InterlockedOrWithReturn()
{
    LONG val = 42;
    return _InterlockedOr(&val, 8);
}

void InterlockedOrWithoutReturn()
{
    LONG val = 42;
    LONG old = _InterlockedOr(&val, 8);
}

InterlockedOrWithoutReturn, COMDAT PROC
        mov      DWORD PTR [rsp+8], 42
        lock or  DWORD PTR [rsp+8], 8
        ret      0
InterlockedOrWithoutReturn ENDP

InterlockedOrWithReturn, COMDAT PROC
        mov          DWORD PTR [rsp+8], 42
        prefetchw    BYTE PTR [rsp+8]
        mov          eax, DWORD PTR [rsp+8]
LoopTop:
        mov          ecx, eax
        or           ecx, 8
        lock cmpxchg DWORD PTR [rsp+8], ecx
        jne          SHORT LoopTop
        ret          0
InterlockedOrWithReturn ENDP

优化器对于 InterlockedAnd 来说同样智能，并且应该适用于 the other Interlocked* functions ，还有。

直觉告诉您，循环中的LOCK OR 实现比LOCK CMPXCHG 更有效。不仅会增加代码大小和循环开销，而且还会面临分支预测失败的风险，这可能会花费大量周期。在性能关键型代码中，如果可以避免依赖互锁操作的返回值，则可以获得性能提升。

但是，您在现代 C++ 中真正应该使用的是 std::atomic ，它允许您指定所需的内存模型/语义，然后让标准库维护人员处理复杂性。