fix compiler optimize thread local variable access by ehds · Pull Request #2156 · apache/brpc

ehds · 2023-03-07T15:24:10Z

What problem does this PR solve?

Issue Number:#1776, #1407, #845, #1860, apache/doris#13270

Problem Summary:
一些编译器会优化 thread_local 的变量的读写，在同一个函数中间如果再次获取相同变量的值时，会直接从缓存的地址里面进行加载。但是如果在函数过程中间，线程发生切换（ bthread 切换到另一个线程执行)，那么 thread_local 变量需要重新获当前运行线程的，而不应该使用之前的旧值。

经测试，Apple M1 Apple clang version 14.0.0, 编译依然存在该问题：
task_runner 函数的部分汇编代码：

 1923 00000000000017cc <__ZN7bthread9TaskGroup11task_runnerEl>:
 1924 ; void TaskGroup::task_runner(intptr_t skip_remained) {
 1925     17cc: ff c3 03 d1   sub     sp, sp, #240
 1926     17d0: fd 7b 0e a9   stp     x29, x30, [sp, #224]
 1927     17d4: fd 83 03 91   add     x29, sp, #224
 1928     17d8: e8 03 00 aa   mov     x8, x0
 1929     17dc: 00 00 00 90   adrp    x0, 0x1000 <__ZN7bthread9TaskGroup11task_runnerEl+0x10>
 1930     17e0: 00 00 40 f9   ldr     x0, [x0]
 1931     17e4: 09 00 40 f9   ldr     x9, [x0]
 1932     17e8: 20 01 3f d6   blr     x9
 1933     17ec: e0 33 00 f9   str     x0, [sp, #96]
 1934     17f0: 00 00 00 90   adrp    x0, 0x1000 <__ZN7bthread9TaskGroup11task_runnerEl+0x24>
 1935     17f4: 00 00 40 f9   ldr     x0, [x0]
 1936     17f8: 09 00 40 f9   ldr     x9, [x0]
 1937     17fc: 20 01 3f d6   blr     x9
 1938     1800: e9 03 00 aa   mov     x9, x0
 1939     1804: e0 33 40 f9   ldr     x0, [sp, #96]
 1940     1808: e9 37 00 f9   str     x9, [sp, #104]
 1941     180c: a8 83 1f f8   stur    x8, [x29, #-8]
 1942 ;     TaskGroup* g = tls_task_group; // first load tls_task_group
 1943     1810: 08 00 40 f9   ldr     x8, [x0]
 1944     1814: a8 03 1f f8   stur    x8, [x29, #-16]
 ....
 2039     1934: 00 00 00 94   bl      0x1934 <__ZN7bthread9TaskGroup11task_runnerEl+0x168>
 2040     1938: 01 00 00 14   b       0x193c <__ZN7bthread9TaskGroup11task_runnerEl+0x170>
 2041     193c: e8 33 40 f9   ldr     x8, [sp, #96]
 2042 ;         g =  tls_task_group; // thread maybe changed, but load tls_task_group form [x8]
 2043     1940: 08 01 40 f9   ldr     x8, [x8]
 2044     1944: a8 03 1f f8   stur    x8, [x29, #-16]
 2045 ;         if (m->attr.flags & BTHREAD_LOG_START_AND_FINISH) {

1933 处首次读取了 tls_task_group，并放入了 [sp, #96] 位置，2043 行时，线程可能已经切换，但是依然从 [sp, #96]处中加载 tls_task_group ，导致读取到了上一个旧值。导致错误发生。

gcc 通过开启 fno-gcse 选项禁止该优化，clang 未能找到对应控制选项。

参考：

What is changed and the side effects?

Changed:

新增 NOT_ALLOW_OPTIMIZE_THREAD_LOCAL_ACCESS 用于控制是否允许编译器优化，如果为 true 是，对应的 thread local 变量必须通过 noinline 的函数调用方式来获取最新值，绕开编译器的优化。
Side effects:

Performance effects(性能影响):
如果开启 NOT_ALLOW_OPTIMIZE_THREAD_LOCAL_ACCESS , 会造成多一次的函数调用开销。
Breaking backward compatibility(向后兼容性):
无

Check List:

Please make sure your changes are compilable(请确保你的更改可以通过编译).
When providing us with a new feature, it is best to add related tests(如果你向我们增加一个新的功能, 请添加相关测试).
Please follow Contributor Covenant Code of Conduct.(请遵循贡献者准则).

wwbmmm · 2023-03-10T02:16:13Z

新增 NOT_ALLOW_OPTIMIZE_THREAD_LOCAL_ACCESS 用于控制是否允许编译器优化

能否自动根据当前编译器和平台来决定是否开启这个宏？

…arch

ehds · 2023-03-10T04:15:13Z

新增 NOT_ALLOW_OPTIMIZE_THREAD_LOCAL_ACCESS 用于控制是否允许编译器优化

能否自动根据当前编译器和平台来决定是否开启这个宏？

done, 根据issue的反馈信息，目前仅针对 Clang/AppleClang 并且是 ARM/AArch 架构平台关闭优化。

wwbmmm · 2023-03-10T05:09:49Z

    endif()
 endif()

+if(CMAKE_CXX_COMPILER_ID MATCHES "(AppleClang)|(Clang)" AND CMAKE_SYSTEM_PROCESSOR MATCHES "(aarch64)|(arm64)")


在这里判断的话只对cmake生效，我们还有make和bazel两种编译方式
是不是在头文件里进行判断，普适性更好一些

wwbmmm · 2023-03-10T11:02:45Z

LGTM

* fix compiler optimize thread local variable access * change __thread to BAIDU_THREAD_LOCAL * Add NOT_ALLOW_OPTIMIZE_THREAD_LOCAL_ACCESS according to compiler and arch * move thread local access optimization condition to thread_local.h

ehds · 2024-02-02T07:58:55Z

加上这个patch后，稳定出现第一种错误，是 socket.cpp 也有类似的问题吗？

是在哪个平台上出现呢？arm 还是 x86 ？
可以贴下 PoC 代码。

zcfh · 2024-02-02T11:28:30Z

加上这个patch后，稳定出现第一种错误，是 socket.cpp 也有类似的问题吗？

是在哪个平台上出现呢？arm 还是 x86 ？可以贴下 PoC 代码。

x86, (defined(__aarch64__) || defined(__arm64__))，去掉后不再core在前面提到的两个位置。

core在了其他地方，找了下调用栈，有地方是这么用的 static thread_local Object obj;。是用了btread的地方，只要用到 thread_local 的都需要做类似的变更吗？

我之前没用过brpc，如何能够构造一个，问题里提到到示例呢？

ehds · 2024-02-02T12:31:35Z

加上这个patch后，稳定出现第一种错误，是 socket.cpp 也有类似的问题吗？

是在哪个平台上出现呢？arm 还是 x86 ？可以贴下 PoC 代码。

x86, (defined(__aarch64__) || defined(__arm64__))，去掉后不再core在前面提到的两个位置。

core在了其他地方，找了下调用栈，有地方是这么用的 static thread_local Object obj;。是用了btread的地方，只要用到 thread_local 的都需要做类似的变更吗？

我之前没用过brpc，如何能够构造一个，问题里提到到示例呢？

如果使用 thread_local 变量时，前后两次访问该变量的中间阶段发生了 bthread 的切换（由于 start_urgent 或者 butex 等待，bthread_usleep 等操作），那么 thread_local 变量就可能不是之前的对象了，这个和 bthread 的设计相关，因为 bthread 运行周期可以被调度到不同的 pthread 上执行，所以前后两次所在的 pthread 上下文已经变化，其 thread_local 变量也就变化了。具体见：https://brpc.apache.org/docs/bthread/thread-local/#thread-local%E9%97%AE%E9%A2%98

是用了btread的地方，只要用到 thread_local 的都需要做类似的变更吗？

这个得分情况：如果想要在 bthread 中使用类似 "thread_local" 的行为，即无论 bthread 被调度到哪，都获得相同的 thread_local 值，建议使用 bthread_local https://brpc.apache.org/zh/docs/server/basics/#bthread-local

如果代码就是想要获得当前被调度运行的 pthread 线程的 thread_local 变量(例如 brpc 中的 tls_task_group ），那么就建议如果会出现上述导致 bthread 切换的行为，那么建议使用这个宏，避免编译器的优化。

zcfh · 2024-02-05T03:22:58Z

感觉还是 thread_local 读写的问题，请问下除了这个patch外，后面还有其他关于这个问题的修复吗？
目前去掉 src/bthread/task_group.cpp 的lto后，可以正常工作。

task_runner 循环外的 tls，也加上 BAIDU_GET_VOLATILE_THREAD_LOCAL，后似乎问题不再出现了。

 void TaskGroup::task_runner(intptr_t skip_remained) {
     // NOTE: tls_task_group is volatile since tasks are moved around
     //       different groups.
-    TaskGroup* g = tls_task_group;
+    TaskGroup* g = BAIDU_GET_VOLATILE_THREAD_LOCAL(tls_task_group);

ehds · 2024-02-05T05:49:33Z

感觉还是 thread_local 读写的问题，请问下除了这个patch外，后面还有其他关于这个问题的修复吗？目前去掉 src/bthread/task_group.cpp 的lto后，可以正常工作。

task_runner 循环外的 tls，也加上 BAIDU_GET_VOLATILE_THREAD_LOCAL，后似乎问题不再出现了。
 void TaskGroup::task_runner(intptr_t skip_remained) {
     // NOTE: tls_task_group is volatile since tasks are moved around
     //       different groups.
-    TaskGroup* g = tls_task_group;
+    TaskGroup* g = BAIDU_GET_VOLATILE_THREAD_LOCAL(tls_task_group);

后续还有3个改动：

根据编译器是否开启该宏
fix compiler optimize thread local variable access on x86_64 #2248
Fix unit test running error under arch64 #2324
添加漏掉的需要添加的访问 tls_task_group 的地方
add missing BAIDU_GET_VOLATILE_THREAD_LOCAL in task_group.cpp #2262

怀疑可能更跟 #2262 这个修改有关。

zcfh · 2024-02-05T06:51:53Z

另外还有一个疑问是，函数 task_runner 和 tls_task_group 不都是在一个编译单元内吗？为什么是开启lto后才会触发这个问题呢。

ehds · 2024-02-05T11:01:48Z

另外还有一个疑问是，函数 task_runner 和 tls_task_group 不都是在一个编译单元内吗？为什么是开启lto后才会触发这个问题呢。

不开启 lto 也是会有这个问题的，具体跟编译器的类别、版本以及编译参数等有关。具体的话可以通过 llvm-objdump/objdump 工具把可执行的产物 dump 出来，看下 task_runner 函数里面获取 tls_task_group 是否符合预期来进行分析。

zcfh · 2024-03-04T12:04:29Z

目前从clang11 切换到clang16 遇到了一些新的问题。和 #1776 提到的问题应该是一样的，不过我看1776对应的代码并没有合入, 是有做了其他修复吗?

对比了汇编，这样差异在于326-331 行这段代码（version 0.96）, 并且把这段代码拆到一个函数里，加上禁用优化的标注，就没问题了。

        // Clean tls variables, must be done before changing version_butex
        // otherwise another thread just joined this thread may not see side
        // effects of destructing tls variables.
        KeyTable* kt = tls_bls.keytable;
        if (kt != NULL) {
            return_keytable(m->attr.keytable_pool, kt);
            // After deletion: tls may be set during deletion.
            tls_bls.keytable = NULL;
            m->local_storage.keytable = NULL; // optional
        }

clang11 对于 tls_bls 成员变量的读写，每次都会经过一次call。而clang16会在do循环外缓存tls_bls的地址。
具体汇编差异如下
clang11

;third_party/brpc-0.9.6/src/bthread/task_group.cpp:325 
# KeyTable* kt = tls_bls.keytable;
     a9e:	66 48 8d 3d 00 00 00 	data16 lea 0x0(%rip),%rdi        # aa6 <bthread::TaskGroup::task_runner(long)+0x196>
     aa5:	00
     aa6:	66 66 48 e8 00 00 00 	data16 data16 callq aae <bthread::TaskGroup::task_runner(long)+0x19e>
     aad:	00
     aae:	48 8b 30             	mov    (%rax),%rsi
third_party/brpc-0.9.6/src/bthread/task_group.cpp:326
     ab1:	48 85 f6             	test   %rsi,%rsi
     ab4:	74 28                	je     ade <bthread::TaskGroup::task_runner(long)+0x1ce>
...
third_party/brpc-0.9.6/src/bthread/task_group.cpp:329
# tls_bls.keytable = NULL;
     abf:	66 48 8d 3d 00 00 00 	data16 lea 0x0(%rip),%rdi        # ac7 <bthread::TaskGroup::task_runner(long)+0x1b7>
     ac6:	00
     ac7:	66 66 48 e8 00 00 00 	data16 data16 callq acf <bthread::TaskGroup::task_runner(long)+0x1bf>
     ace:	00
     acf:	48 c7 00 00 00 00 00 	movq   $0x0,(%rax)

clang16

;third_party/brpc-0.9.6/src/bthread/task_group.cpp:265
     838:	48 8b 40 30          	mov    0x30(%rax),%rax
     83c:	48 85 c0             	test   %rax,%rax
     83f:	75 df                	jne    820 <bthread::TaskGroup::task_runner(long)+0x30>
     841:	4c 89 65 d0          	mov    %r12,-0x30(%rbp)
     845:	66 48 8d 3d 00 00 00 	data16 lea 0x0(%rip),%rdi        # 84d <bthread::TaskGroup::task_runner(long)+0x5d>
     84c:	00
     84d:	66 66 48 e8 00 00 00 	data16 data16 callq 855 <bthread::TaskGroup::task_runner(long)+0x65>
     854:	00
     855:	48 89 c3             	mov    %rax,%rbx  # do 循环外保存 tls_bls 的地址到rbx
...
;third_party/brpc-0.9.6/src/bthread/task_group.cpp:325
# KeyTable* kt = tls_bls.keytable;
     96e:	48 8b 33             	mov    (%rbx),%rsi
;third_party/brpc-0.9.6/src/bthread/task_group.cpp:326
     971:	48 85 f6             	test   %rsi,%rsi
     974:	74 18                	je     98e <bthread::TaskGroup::task_runner(long)+0x19e>
...
;third_party/brpc-0.9.6/src/bthread/task_group.cpp:329
# tls_bls.keytable = NULL;
     97f:	48 c7 03 00 00 00 00 	movq   $0x0,(%rbx)

zcfh · 2024-05-22T11:49:50Z

另外还有一个疑问是，函数 task_runner 和 tls_task_group 不都是在一个编译单元内吗？为什么是开启lto后才会触发这个问题呢。

这个差异找到了（定位不易，踩坑的场景比较特殊，不知道有没有人会遇到）。和clang对tls变量访问的选择有关。如果使用-fPIC编译 + 分布式 thinlto ，clang-16之前都会出现这种行为差异，具体原因。

`bthread_usleep`/`bthread_yield` contains access to TLS variables. In LTO mode, exceptions may occur due to cross-module optimization. For example, bthread_usleep is inlined into WatchConnections, the compiler(clang-17.0.6) cache the address outside the loop, triggering the error mentioned in apache#2156.

ehds added 2 commits March 7, 2023 23:03

fix compiler optimize thread local variable access

2eac300

change __thread to BAIDU_THREAD_LOCAL

20f5566

Add NOT_ALLOW_OPTIMIZE_THREAD_LOCAL_ACCESS according to compiler and …

0964a6c

…arch

wwbmmm reviewed Mar 10, 2023

View reviewed changes

move thread local access optimization condition to thread_local.h

b87dfe8

anakinxc mentioned this pull request Apr 23, 2023

bazel run //exmaples/cpp:simple_psi 出错 (Mac M1) secretflow/spu#170

Closed

wwbmmm merged commit 37c31fb into apache:master Apr 26, 2023

lengmoXXL mentioned this pull request Sep 19, 2024

arm64 架构 leader 创建的 replicator 有概率不再发送日志给 follower baidu/braft#473

Closed

chenBright mentioned this pull request Sep 22, 2024

Optimize keytablelist implementation #2768

Merged

zcfh mentioned this pull request Mar 18, 2025

Fix compiler optimize thread local variable access #2918

Merged

This was referenced Apr 2, 2025

add attribute noinline to tls_bls #2933

Closed

use BAIDU_VOLATILE_THREAD_LOCAL to declare tls_bls to avoid error compiler optimization #2934

Merged

zhoukangsheng mentioned this pull request Sep 9, 2025

fix: fix bthread_id_unlock failed in aarch64 cpu(fix issue #3083) #3084

Merged

zcfh mentioned this pull request Apr 9, 2026

求助：socket.cpp:1036, IsWriteComplete] Check failed: NULL == old_head->next #2572

Closed

bobhan1 mentioned this pull request Sep 4, 2026

[bvar] AgentGroup may use a stale _s_tls_blocks address after bthread migration under Clang #3520

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fix compiler optimize thread local variable access - #2156

fix compiler optimize thread local variable access#2156
wwbmmm merged 4 commits into
apache:masterfrom
ehds:fix-thread-local-variable-load

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