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原子操作（atomic）是無(wú)鎖編程(Lock-Free Programming)的基礎(chǔ)。C++內(nèi)存模型規(guī)定了多個(gè)線程訪問(wèn)同一個(gè)內(nèi)存地址時(shí)的語(yǔ)義，以及某個(gè)線程對(duì)內(nèi)存地址的更新何時(shí)能被其它線程看見(jiàn)。

該模型的核心思想就是由程序員用同步原語(yǔ)（例如，鎖或者C++11中新引入的atomic類型的共享變量）來(lái)保證你程序是沒(méi)有數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)的，這樣CPU和編譯器就會(huì)保證程序是按程序員所想的那樣執(zhí)行的（即順序一致性）。

C++編譯器可能會(huì)進(jìn)行一些錯(cuò)誤優(yōu)化從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)。第二，絕大多數(shù)情況下線程庫(kù)能正確的完成任務(wù)，而在極少數(shù)對(duì)性能有更高要求的情況下（尤其是需要利用底層的硬件特性來(lái)實(shí)現(xiàn)高性能Lock Free算法時(shí)）需要更精確的內(nèi)存模型以規(guī)定好程序的行為

C++11中的內(nèi)存屏障

松散”內(nèi)存屏障

std::memory_order_relaxed，松散操作，沒(méi)有同步或順序制約，僅對(duì)此操作要求原子性。帶標(biāo)簽?memory_order_relaxed的原子操作無(wú)同步操作；它們不會(huì)在并發(fā)的內(nèi)存訪問(wèn)間強(qiáng)加順序。它們只保證原子性和修改順序一致性。

例如，對(duì)于最初為零的x和y:

1 2 3 4 5 6 7

r1 = y.load(memory_order_relaxed); // A x.store(r1, memory_order_relaxed); // B // 線程 2 ： r2 = x.load(memory_order_relaxed); // C y.store(42, memory_order_relaxed); // D

允許產(chǎn)生結(jié)果r1 == 42 && r2 == 42，因?yàn)榧词咕€程1中A先序于B且線程2中C先序于D ，卻沒(méi)有制約避免y的修改順序中D先出現(xiàn)于A ，而x的修改順序中B先出現(xiàn)于C。D在y上的副效應(yīng)，可能可見(jiàn)于線程1中的加載A ，同時(shí)B在x上的副效應(yīng)，可能可見(jiàn)于線程2中的加載C。

如上圖所示，假設(shè)：a, b, c分別為普通變量，而x為atomic類型的變量，當(dāng)在寫入x時(shí)，設(shè)置memory_order_relaxed時(shí)，寫入a，寫入b的順序，在另外的線程上看到的，完全可能是相互調(diào)換的，寫入c的位置，完全也有可能由出現(xiàn)在寫入x之前，而在另外一個(gè)線程上看到的，確實(shí)在寫入x之后，同時(shí)，讀出b的動(dòng)作，完全有可能從寫入x之后，編程在另外一個(gè)線程上看，是在寫入x之前。也就是，各種亂序， 都是被允許的。

松散內(nèi)存順序的典型使用是計(jì)數(shù)器自增，只要求原子性，但不要求順序或同步

單向的”釋放”內(nèi)存屏障

std::memory_order_release，釋放操作，當(dāng)前線程中的讀或?qū)懖荒鼙恢嘏诺酱舜鎯?chǔ)后。當(dāng)前線程的所有寫入，可見(jiàn)于加載該同一原子變量的其他線程。

如上圖所示，在使用memory_order_release設(shè)置的原子操作寫入的情況下，原子操作之后的讀寫操作，在另外的線程（加載了該原子變量的線程）看來(lái)，可以重排到原子操作之前（通俗點(diǎn)說(shuō)，就是另外線程可能認(rèn)為當(dāng)前線程是先執(zhí)行的寫入的a操作，再執(zhí)行的寫入x操作）。但是，如下圖所示，原子操作之前的讀、寫操作，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)必須保證，在另外一個(gè)線程看來(lái)，他是在原子操作寫入之前就被寫入了， 不能是在原子操作之后才寫入(通俗點(diǎn)說(shuō)，也就是另外一個(gè)線程，不能認(rèn)為當(dāng)前線程先寫入的x，再寫入的c，他一定要看到的是先寫入c，再寫入的x)：

單向的”加載”內(nèi)存屏障

std::memory_order_acquire，加載操作，當(dāng)前線程中讀或?qū)懖荒鼙恢嘏诺酱思虞d前。其他釋放同一原子變量的線程的所有寫入，為當(dāng)前線程所可見(jiàn)。

如上圖所示，在設(shè)置memory_order_acquire的對(duì)x的讀操作前的讀、寫操作，在另外的線程看來(lái)（或者說(shuō)實(shí)際的運(yùn)行順序），可以被重排到對(duì)x的讀操作后，(通俗點(diǎn)說(shuō)，就是其他線程可以是認(rèn)為當(dāng)前線程先讀取的x，再寫入的c)。然而如下圖所示，對(duì)x的讀操作后的讀、寫操作，在另外的線程看來(lái)不允許被重排到x的讀操作前（不允許其他線程看到當(dāng)前線程先寫入的a，再讀取的x）。

單向“加載”+單向“釋放”協(xié)議

往往memory_order_acquire和memory_order_release是配合著一起使用的：

線程1使用memory_order_release寫入原子變量x

線程2使用memory_order_acquire讀出原子變量x

所有在線程1上，在寫入x之前的寫入操作，都將在線程2上，在讀出x之后，被看到。使用單向“加載”+單向“釋放”協(xié)議的場(chǎng)景往往是：

線程1，寫入一些實(shí)際數(shù)據(jù)，接著通過(guò)將原子變量x設(shè)置為某個(gè)值A(chǔ)（通過(guò)使用memory_order_release寫入原子變量x）來(lái)“發(fā)布”這些數(shù)據(jù)。

線程2，通過(guò)讀取并判斷x已被設(shè)置為A（通過(guò)使用memory_order_acquire來(lái)讀取原子變量x），進(jìn)而讀取線程1實(shí)際“發(fā)布”的那些數(shù)據(jù)

如上圖所示，thread_1在release寫入x(值:A)之前，寫入了待發(fā)布的a,b的數(shù)據(jù)，而thread_2，將在acquire讀出x且為A之后，將讀到thread_1發(fā)布的a,b的數(shù)據(jù)。同時(shí)，我們可以注意到，在thread_2上，在acquire讀出x之前，如果對(duì)a進(jìn)行讀操作，我們是無(wú)法確認(rèn)讀到的a一定會(huì)thread_1在之前最后寫入的a，這里的順序是不會(huì)被保證的，重排是被允許的。同時(shí)，在之后，讀取c，讀到的是否為thread_1最后寫入的c，也是不確定的，因?yàn)?#xff0c;在x寫入之后，thread_1上又出現(xiàn)了一次寫入，而如果在此之前，還有一次寫入， 這兩次寫入之間，是不存在限制，可能會(huì)被重排的。

thread_1上有了release_store，對(duì)于a，b的寫入就一定會(huì)在x的改變之前，在thread_2上，就不會(huì)出現(xiàn)類似讀出c，的不確定性。thread_2上有了acquire_load，右側(cè)的讀出a，就不會(huì)被重排讀到左側(cè)，而左側(cè)讀出a的不確定性，也不存在。thread_1卡住的是：對(duì)于數(shù)據(jù)a，b的寫入不能排到x的寫入之后，thread_2卡住的，是對(duì)于數(shù)據(jù)a，b的讀取，不能排到讀取x之前，這樣，就保證了數(shù)據(jù)a，b，與”信號(hào)量”x，之間，在thread_1, thread_2上的同步關(guān)系。

雙向的”加載-釋放”內(nèi)存屏障

std::memory_order_acq_rel，加載-釋放操作，帶此內(nèi)存順序的讀-修改-寫操作既是獲得加載又是釋放操作。沒(méi)有操作能夠從此操作之后被重排到此操作之前，也沒(méi)有操作能夠從此操作之前被重排到此操作之后，當(dāng)然，具有這一限制的前提是，觀察讀寫順序的不同線程是使用的同一個(gè)原子變量并基于這一內(nèi)存順序。

最嚴(yán)的”順序一致”內(nèi)存屏障

std::memory_order_seq_cst，順序一致操作，此內(nèi)存順序的操作既是加載操作又是釋放操作，沒(méi)有操作能夠從此操作之后被重排到此操作之前，也沒(méi)有操作能夠從此操作之前被重排到此操作之后。帶標(biāo)簽memory_order_seq_cst的原子操作不僅以與釋放/加載順序相同的方式排序內(nèi)存（在一個(gè)線程中先發(fā)生于存儲(chǔ)的任何結(jié)果都變成做加載的線程中的可見(jiàn)），還對(duì)所有擁有此標(biāo)簽的內(nèi)存操作建立一個(gè)單獨(dú)全序。memory_order_seq_cst比memory_order_acq_rel更強(qiáng)，memory_order_acq_rel的順序保障，是要基于同一個(gè)原子變量的，也就是說(shuō)，在這個(gè)原子變量之前的讀寫，不能重排到這個(gè)原子變量之后，同時(shí)這個(gè)原子變量之后的讀寫，也不能重排到這個(gè)原子變量之前。但是，如果兩個(gè)線程基于memory_order_acq_rel使用了兩個(gè)不同的原子變量x1, x2，那在x1之前的讀寫，重排到x2之后，是完全可能的，在x1之后的讀寫，重排到x2之前，也是被允許的。然而，如果兩個(gè)原子變量x1,x2，是基于memory_order_seq_cst在操作，那么即使是x1之前的讀寫，也不能被重排到x2之后，x1之后的讀寫，也不能重排到x2之前，也就說(shuō)，如果都用memory_order_seq_cst，那么程序代碼順序(Program Order)就將會(huì)是你在多個(gè)線程上都實(shí)際觀察到的順序(Observed Order)

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的c++内存管理-内存顺序的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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