c++ - 原子会遭受虚假存储吗？

Question

在 C++ 中，原子会遭受虚假存储吗？

例如，假设 m 和 n 是原子的并且最初是 m = 5。在线程 1 中，

    m += 2;

在线程 2 中，

    n = m;

结果:n 的最终值应该是 5 或 7，对吧？但它可能是虚假的 6 吗？会不会是 4 或 8，甚至是别的什么？

换句话说，C++ 内存模型是否禁止线程 1 表现得好像它这样做了？

    ++m;
    ++m;

或者，更奇怪的是，好像它是这样做的？

    tmp  = m;
    m    = 4;
    tmp += 2;
    m    = tmp;

引用:H.-J. Boehm & S. V. Adve, 2008,图 1.(如果您点击链接，则在论文的第 1 节中，请参阅第一个项目符号:“...提供的非正式规范”)

另一种形式的问题

一个答案(赞赏)表明上述问题可能会被误解。如果有帮助，那么这里是另一种形式的问题。

假设程序员试图告诉线程 1 跳过该操作:

    bool a = false;
    if (a) m += 2;

C++ 内存模型是否禁止线程 1 在运行时表现得好像它这样做了？

    m += 2; // speculatively alter m
    m -= 2; // oops, should not have altered! reverse the alteration

我问是因为 Boehm 和 Adve，早先链接，似乎解释了多线程执行可以

• 推测性地改变一个变量，然后
• 稍后，当推测性更改被证明是不必要的时，将变量改回其原始值。

可编译的示例代码

如果您愿意，这里有一些您可以实际编译的代码。

#include <iostream>
#include <atomic>
#include <thread>

// For the orignial question, do_alter = true.
// For the question in alternate form, do_alter = false.
constexpr bool do_alter = true;

void f1(std::atomic_int *const p, const bool do_alter_)
{
    if (do_alter_) p->fetch_add(2, std::memory_order_relaxed);
}

void f2(const std::atomic_int *const p, std::atomic_int *const q)
{
    q->store(
        p->load(std::memory_order_relaxed),
        std::memory_order_relaxed
    );
}

int main()
{
    std::atomic_int m(5);
    std::atomic_int n(0);
    std::thread t1(f1, &m, do_alter);
    std::thread t2(f2, &m, &n);
    t2.join();
    t1.join();
    std::cout << n << "\n";
    return 0;
}

当我运行这段代码时，它总是打印出 5 或 7。 (事实上​​，据我所知，它总是在我运行它时打印 7。)但是，我没有看到任何 语义 会阻止它打印 6、4 或 8。

优秀的 Cppreference.com states, “原子对象没有数据竞争”，这很好，但在这样的背景下，这意味着什么？

毫无疑问，这一切都意味着我不太了解语义。您可以对这个问题提出任何启发，我们将不胜感激。

答案

@Christophe、@ZalmanStern 和@BenVoigt 都巧妙地阐明了这个问题。他们的答案是合作而不是竞争。在我看来，读者应该注意所有三个答案:@Christophe 首先； @ZalmanStern 第二； @BenVoigt 最后总结一下。

Answer 1

您的代码使用了 fetch_add()在原子上，它提供了以下保证:

Atomically replaces the current value with the result of arithmetic addition of the value and arg. The operation is read-modify-write operation. Memory is affected according to the value of order.

语义一清二楚:操作前是m，操作后是m+2，没有线程访问这两种状态之间的内容，因为操作是原子的。

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编辑:关于您的替代问题的其他元素

无论 Boehm 和 Adve 怎么说，C++ 编译器都遵守以下标准条款:

1.9/5: A conforming implementation executing a well-formed program shall produce the same observable behavior as one of the possibleexecutions of the corresponding instance of the abstract machine withthe same program and the same input.

如果 C++ 编译器生成的代码可能允许推测性更新干扰程序的可观察行为(也就是得到 5 或 7 以外的东西)，那么它不会符合标准，因为它无法确保保证在我最初的回答中提到。