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C++11内存序.md

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C++11内存序.md

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C++ 内存序 Memory Order

为什么需要内存模型(程序执行顺序)

程序执行语句的顺序是不确定的，甚至包括函数的参数的顺序。表达式a()+b()+c()在+号优先级的作用下，会被解释为(a()+b())+c()，但是c()的执行顺序是不定的，甚至可能先于a()和b()。

typedef enum memory_order{
    memory_order_relaxed,
    memory_order_consume,
    memory_order_acquire,
    memory_order_release,
    memory_order_acq_rel,
    memory_order_seq_cst
} memory_order;
//C++11起

C++11定义了上述六种内存顺序，引入了四种内存模型。

Relaxed Ordering

memory_order_relaxed是一种宽松的内存顺序约束，即不对线程间指令执行顺序进行约束，只保证操作是原子的和单个线程内的执行顺序。

// Thread 1:
r1 = y.load(std::memory_order_relaxed); // A
x.store(r1, std::memory_order_relaxed); // B
// Thread 2:
r2 = x.load(std::memory_order_relaxed); // C 
y.store(42, std::memory_order_relaxed); // D
std::atomic<int> x(0);
std::atomic<int> y(0);
std::thread th1([&](){
    int r1 = y.load(std::memory_order_relaxed); // A
    x.store(r1, std::memory_order_relaxed); // B
    std::cout<<"r1:"<<r1<<std::endl;
    });
std::thread th2([&](){
    int r2 = x.load(std::memory_order_relaxed); // C 
    y.store(42, std::memory_order_relaxed); // D
    std::cout<<"r2:"<<r2<<std::endl;
    });
th1.join();
th2.join();

程序的输出大部分时r1和r2都为0，少数情况下r1=42和r2=0。这是由于D发生在了A之前，两个线程间对指令的执行顺序没有强制性约束，但由于一个线程内都是顺序执行的，因此r2发生于D之前，r2仍为0。

releaxed order的一个典型应用是程序计数器，shared_ptr中，因为程序计数器只需要是原子的，对顺序并不作要求。

#include <vector>
#include <iostream>
#include <thread>
#include <atomic>
std::atomic<int> cnt = {0};
void f()
{
    for (int n = 0; n < 1000; ++n) {
        cnt.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed);
    }
}
int main()
{
    std::vector<std::thread> v;
    for (int n = 0; n < 10; ++n) {
        v.emplace_back(f);
    }
    for (auto& t : v) {
        t.join();
    }
    std::cout << "Final counter value is " << cnt << '\n';
}

Release-Acquire ordering

当原子操作store在线程A中被标记为memory_order_release，相同的原子变量在另一个线程B中load时被标记为memory_order_acquire，那么所有线程A中的写操作（无论是否是原子的，以及relaxed原子操作类型）在线程B中均可见。

互斥锁（std::mutex或者基于原子变量的自旋锁-atomic spinlock），是release-acquire同步的一个例子。当一个锁由线程A释放release，又由另一个线程B获取acquire，那么所有在线程A释放锁之前的所有操作在线程B中都是可见的，但需要是相同的锁，即对相同对原子变量进行操作。

void producer()
{
    std::string* p  = new std::string("Hello");
    data = 42;
    ptr.store(p, std::memory_order_release);
}
void consumer()
{
    std::string* p2;
    while (!(p2 = ptr.load(std::memory_order_acquire)));
    assert(*p2 == "Hello"); // never fires
    assert(data == 42); // never fires
}
int main()
{
    std::thread t2(consumer);
    std::thread t1(producer);
    t1.join(); t2.join();
}

以上assert会永远成立，因为release之前的写操作在另一个线程中始终是可见的。

compare_exchange_strong

std::atomic flag = {0};

flag.compare_exchange_strong(expected,val,std::memory_order_acq_rel);

flag和expected相比，如果相同，则用val替换flag。如果不相同，用val替换expected。

Release-Consume ordering

相比上述内存关系，Release-Consume是只对有关联关系的的原子变量的顺序产生约束，其他无关联依赖关系的原子变量不做限制。

典型的用例是读取很少修改的数据结构，如路由表，配置文件，防火墙配置文件等等。

std::atomic<std::string*> ptr;
int data;
void producer()
{
    std::string* p  = new std::string("Hello");
    data = 42;
    ptr.store(p, std::memory_order_release);
}
void consumer()
{
    std::string* p2;
    while (!(p2 = ptr.load(std::memory_order_consume)))
        ;
    assert(*p2 == "Hello"); // never fires: *p2 carries dependency from ptr
    assert(data == 42); // may or may not fire: data does not carry dependency from ptr
}
int main()
{
    std::thread t1(producer);
    std::thread t2(consumer);
    t1.join(); t2.join();
}

data可能并不等于42，但我运行了很多次并没有出现异常。

Sequentially-consistent ordering

是C++内存模型的默认设置，有序一致性语义，保持最强的内存一致性。