带有栅栏和获取/释放的 C++ memory_order

Question

我有以下 C++ 2011 代码:

std::atomic<bool> x, y;
std::atomic<int> z;

void f() {
   x.store(true, std::memory_order_relaxed);
   std::atomic_thread_fence(std::memory_order_release);
   y.store(true, std::memory_order_relaxed);
}

void g() {
   while (!y.load(std::memory_order_relaxed)) {}
   std::atomic_thread_fence(std::memory_order_acquire);
   if (x.load(std::memory_order_relaxed)) ++z;
}

int main() {
   x = false;
   y = false;
   z = 0;
   std::thread t1(f);
   std::thread t2(g);
   t1.join();
   t2.join();
   assert(z.load() !=0);
   return 0;
}

在我的计算机体系结构类(class)中，我们被告知此代码中的断言始终为真。但是现在仔细阅读之后，我真的不明白为什么会这样。

据我所知:

• 带有“memory_order_release”的栅栏将不允许之前的存储在它之后执行
• 带有“memory_order_acquire”的栅栏将不允许在它之后执行的任何加载在它之前执行。

如果我的理解是正确的，为什么不能出现下面的一系列 Action 呢？

1. 在 t1 内，y.store(true, std::memory_order_relaxed); 被调用
2. t2 完全运行，并且在加载“x”时会看到“false”，因此不会在一个单元中增加 z
3. t1 完成执行
4. 在主线程中，断言失败，因为 z.load() 返回 0

我认为这符合“获取”-“发布”规则，但是，例如在这个问题的最佳答案中:Understanding c++11 memory fences这与我的情况非常相似，它暗示我的操作序列中的第 1 步之类的事情不会在“memory_order_release”之前发生，但没有详细说明其背后的原因。

我对此感到非常困惑，如果有人能对此有所了解，我将非常高兴:)

Answer 1

每种情况下具体发生的情况取决于您实际使用的处理器。例如，x86 可能不会断言这一点，因为它是一个缓存一致的架构(你可以有竞争条件，但是一旦一个值从处理器写入缓存/内存，所有其他处理器都会读取该值 -当然，不会阻止另一个处理器在之后立即写入不同的值，等等)。

因此假设它运行在 ARM 或类似的处理器上，但不能保证其本身缓存一致:

因为对x的写入是在memory_order_release之前完成的，t2循环不会退出while(y...)直到x 也是如此。这意味着当 x 稍后被读取时，它保证是一个，所以 z 被更新。我唯一的小问题是关于你是否也不需要 z 的 release ... 如果 main 在不同的平台上运行处理器比 t1 和 t2，那么 z 可能仍然在 main 中有一个陈旧的值。

当然，如果你有一个多任务操作系统(或者只是中断做足够的事情等)，那不能保证发生 - 因为如果运行 t1 的处理器刷新了它的缓存，那么 t2 可能会读取新的值X。

正如我所说，这不会对 x86 处理器(AMD 或 Intel 处理器)产生影响。

因此，一般性地解释屏障指令(也适用于 Intel 和 AMD process0rs):

首先，我们需要明白，虽然指令可以无序地开始和结束，但处理器确实对顺序有一个普遍的“理解”。假设我们有这个“伪机器代码”:

 ...
 mov $5, x
 cmp a, b
 jnz L1
 mov $4, x

L1: ...

处理器可以在完成“jnz L1”之前推测性地执行 mov $4, x - 因此，为了解决这个问题，处理器必须回滚 mov $4， x 在 jnz L1 被采用的情况下。

同样，如果我们有:

 mov $1, x
 wmb         // "write memory barrier"
 mov $1, y

处理器有规则说“在完成之前的所有存储之前，不要执行任何在 wmb 之后发出的存储指令”。这是一个“特殊”指令——它的存在是为了保证内存排序的精确目的。如果它不这样做，那么你的处理器就坏了，而且设计部门的某个人“他的屁股在线”。

同样，“读取内存屏障”是一条指令，由处理器的设计者保证，在我们完成屏障指令之前的挂起读取之前，处理器不会完成另一次读取。

只要我们不是在研究“实验性”处理器或一些无法正常工作的劣质芯片，它就会以这种方式工作。它是该指令定义的一部分。没有这样的保证，就不可能(或者至少极其复杂和“昂贵”)实现(安全的)自旋锁、信号量、互斥量等。

通常还存在“隐式内存障碍”——也就是说，即使没有，也会导致内存障碍的指令。软件中断(“INT X”指令或类似指令)倾向于执行此操作。