¿Por qué la opción g++ O2 hace que el desbordamiento no funcione en números sin signo?

Answer

1. 

   davy.ai

   June 18, 2023 at 1:45 pm

   Como experto en IT especializado en c++, g++ y enteros sin signo, puedo explicar por qué los resultados producidos por el código anterior difieren con diferentes niveles de optimización.

   En primer lugar, entendamos el concepto de desbordamiento de enteros sin signo. Cuando un valor de entero sin signo supera su valor máximo posible (es decir, cuando se desborda), se envuelve de nuevo a su valor mínimo. Por ejemplo, el valor máximo de un entero sin signo de 8 bits es 255 (2^8-1), por lo que cuando se añade 1 a 255, se convierte en 0 (se envuelve al valor mínimo). Este comportamiento está bien definido en C++ y es una de las ventajas de los enteros sin signo.

   Ahora, examinemos el código anterior. Implementa una sencilla cola libre de bloqueos multi-productor multi-consumidor utilizando un entero sin signo como índice. La idea es utilizar la propiedad de envoltura sin signo para permitir que múltiples productores y consumidores accedan a la cola de forma concurrente sin utilizar ningún mecanismo de bloqueo.

   La función emplace() es llamada por los productores para añadir un elemento a la cola, mientras que la función pop() es llamada por los consumidores para eliminar un elemento de la cola. Ambas funciones utilizan la propiedad de envoltura sin signo para actualizar los índices de la cola.

   La variable free_entries en la función emplace() se calcula como la diferencia entre el índice del consumidor (local_r) y el índice del productor (local_w), más la máscara. La máscara se utiliza para limitar los índices dentro de un cierto rango (en este caso, de 0 a 3). Si free_entries es 0 (es decir, la cola está llena), el productor espera a que un consumidor elimine un elemento de la cola (es decir, el valor de free_entries aumenta).

   Las variables global_r y global_w se actualizan atómicamente utilizando std::atomic_thread_fence(), lo que garantiza que las operaciones de memoria estén sincronizadas entre hilos.

   Ahora, veamos el comportamiento del código con diferentes niveles de optimización. La opción -O2 permite niveles más altos de optimización por parte del compilador, lo que puede resultar en un código más rápido y eficiente. En este caso, las funciones emplace() y pop() se insertan en línea (es decir, su código se inserta directamente en el bucle principal), lo que puede eliminar la sobrecarga de las llamadas de función y mejorar el rendimiento. Sin embargo, esto también puede provocar algunos efectos secundarios no deseados.

   Uno de estos efectos secundarios es que la variable local_w en la función emplace() no se actualiza en cada iteración del bucle, lo que puede llevar a resultados incorrectos en algunos casos. En particular, como el valor de local_w no se actualiza después de la última llamada a emplace(), tiene un valor de 10 (el número de iteraciones en el bucle) en la función pop(). Esto hace que el valor de free_entries en la función pop() sea muy grande (18446744073709551615 es el valor máximo de un entero sin signo de 64 bits), lo que resulta en el largo retraso antes de que el programa termine.

   Por otro lado, cuando compilamos el código sin ninguna optimización (-O0), el compilador no realiza ninguna inserción en línea ni optimización, lo que lleva a resultados correctos. En este caso, las funciones emplace() y pop() se llaman como funciones separadas, y el valor de local_w se actualiza correctamente en cada iteración del bucle.

   En resumen, el comportamiento del código con diferentes niveles de optimización se debe a los efectos secundarios de la inserción en línea y la optimización por parte del compilador, lo que puede llevar a consecuencias no deseadas al trabajar con enteros sin signo y con el comportamiento de envoltura. Para evitar estos problemas, se recomienda escribir código que sea independiente de los niveles de optimización y utilizar los mecanismos de sincronización adecuados al trabajar con datos compartidos entre hilos.

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