コグノスケ

fno-builtinによるlibc関数呼び出し最適化の抑制

目次: GCC

GCCはlibcの関数呼び出しを別の関数呼び出しに置き換える最適化（名前がわからないので以降「libc関数呼び出し最適化」と呼びます）を行います。例を挙げると、

• 1文字出力するprintf関数→putchar関数
• 行末に改行がある文字列を出力するprintf関数→puts関数

時には勝手にlibcの関数呼び出しを置き換えてほしくないこともあると思います。libc関数呼び出し最適化を抑えることができるコンパイラオプションfno-builtinを指定したときの挙動についてメモしておきます。

GCCのバージョンは下記のとおりです。

$ gcc --version

gcc (Debian 12.2.0-14) 12.2.0
Copyright (C) 2022 Free Software Foundation, Inc.
This is free software; see the source for copying conditions.  There is NO
warranty; not even for MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.

テストに使うプログラムは下記の通りです。

int printf(const char *a, ...);

void _start(void)
{
        printf("\n");
}

特に何も指定しなければ、1文字出力するprintfはputchar呼び出しに置き換えられるはずです。確認のためnostdlibオプションを付けてコンパイルし、リンクエラーを見るとprintfの呼び出しがどの関数に置き換えられたかわかります。

$ gcc -O2 -g -Wall a.c -nostdlib

/usr/bin/ld: /tmp/cc1D673J.o: in function `_start':
/home/katsuhiro/share/test_gcc_no_builtin/a.c:5: undefined reference to `putchar'
collect2: error: ld returned 1 exit status

リンクエラーは「putcharがない」と出ました。printfの呼び出しがputcharの呼び出しに置き換えられたことがわかりますね。次はfno-builtinオプションを指定します。

$ gcc -O2 -g -Wall a.c -nostdlib -fno-builtin

/usr/bin/ld: /tmp/cc6JbRD2.o: in function `_start':
/home/katsuhiro/share/test_gcc_no_builtin/a.c:5: undefined reference to `printf'
collect2: error: ld returned 1 exit status

リンクエラーは「printfがない」と出ました。fno-builtinオプションによってprintfからputcharへの置き換えが抑制されたことがわかります。

fno-builtinの仕様なのか？

動作結果を見る限りfno-builtinオプションでlibc関数呼び出し最適化が抑制されましたが、この挙動がオプションの仕様か？と聞かれると正直良くわかりません。

仕様はGCCのマニュアル（Other Builtins (Using the GNU Compiler Collection (GCC))）に書かれていて、説明によれば残りのビルトイン関数（printfを含む）は最適化のために提供されている（"The remaining functions are provided for optimization purposes."）とあります。

• ビルトイン関数を無効にした
• 最適化後に呼び出すためのビルトイン関数がない
• libc関数呼び出し最適化そのものが無効になった

私はこのような動作をしているものと推測しています。正しいかどうかは知りません……。

最適化はビルトイン関数に頼る必要はありません。つまりfno-builtinオプションで抑制できないようなlibc関数呼び出し最適化があっても不思議ではありません。今のところそのような例は見つけていませんが、もしあったとすると抑制する方法はあるのでしょうか？うーん？？

musl libcのpthread_barrier_wait()の実装 その3、インスタンス

目次: C言語とlibc

参考: 図を書くために使った PlantUMLのコードです。

前回の続きです。musl libc 1.2.4のpthread_barrier_wait()の実装と動作の概要です。バリアに到達したスレッドがNスレッド（N >= 2）あるとすると、大きく分けて3つの役割に分かれます。役割名は私が適当に付けました。正式な名前はあるのかな？

• Owner: 最初にバリアに突入してきたスレッド（1スレッド）
• Last: 最後にバリアに突入してきたスレッド（1スレッド）
• Others: OwnerでもLastでもないスレッド全て（0〜N-2スレッド、平たく言えば3スレッド以上のバリアのときだけ存在する）

今回はインスタンスがなぜローカル変数として確保されるかを紹介します。1回目と2回目のバリアが重なるところがポイントです。

スレッドの役割は変わる

各スレッドはOwnerかLastかOthersになりますが、役割は毎回のバリア同期処理ごとに変わります。例えばバリアとバリアの間の処理時間が同じだとすると、あるバリアのOwnerは次のバリアではLastになる可能性が高いです。Ownerはバリアから最後に脱出しますので、その間に他のスレッドの処理が進んで次のバリア同期処理のOwnerになるからです。

3スレッドあって下記のように役割が変化する場合を考えてみます。

• スレッド1: Owner1, Last2: 1回目Owner、2回目Last
• スレッド2: Others1, Owner2: 1回目Others、2回目Owner
• スレッド3: Last1, Others2: 1回目Last、2回目Others

更に考えてみるとバリアとバリアの間の処理時間が非常に短い場合、1回目のバリアのOwner（スレッド1、Owner1, Last2）がバリアを脱出する前に、違うスレッドが2回目のバリアのOwner（スレッド2、Others1, Owner2）となってバリアに到達している可能性があります。シーケンス例は下記のようになります。

インスタンスが1つしかない場合のシーケンス例

もしバリアのインスタンスをグローバル変数などに確保した場合、1回目のバリアのOwner（スレッド1、Owner1, Last2）によるインスタンスの破棄と、2回目のバリアのOwner（スレッド2、Others1, Owner2）のインスタンスの初期化がぶつかって、お互いに内容を壊しあうため正常に動作しません。

この問題を解決にはインスタンスをOwnerスレッド固有の領域に置くと良いです。1回目のバリアのOwnerスレッドと、2回目のバリアのOwnerスレッドがそれぞれ別の領域に置けば、お互いに壊し合うことがなくなります。

ローカル変数はスレッド固有の領域

スレッドごとの固有の領域として使えるのは、

があります。インスタンスを各Ownerスレッド固有の領域においたとき、2回分のバリア動機処理のシーケンス例は下記のようになります。

インスタンスがスレッドごとにある場合のシーケンス例

バリアのインスタンスは複数スレッド間で共有する領域です。ローカル変数を複数スレッド間で共有すると、ローカル変数が破棄されたときに問題が発生するので、ヒープを使うことが多いでしょう。

しかし前回説明したようにバリア同期処理の場合はローカル変数の寿命をうまく制御できるため、複数スレッド間で共有しても問題が起きません。インスタンスをローカル変数に確保すると、ヒープに比較して高速なメモリ割当が可能です。