详解c++ atomic原子编程中的Memory Order
作者：可可西
概述
但是，基于内核对象的同步，会带来昂贵的上下文切换（用户态切换到内核态，占用1000个以上的cpu周期）。就需要使用另一种方法 —— 原子指令。
仅靠原子技术实现不了对资源的访问控制，即使简单计数操作，看上去正确的代码也可能会crash。
这里的关键在于编译器和cpu实施的重排指令导致了读写顺序的变化。只要没有依赖，代码中在后面的指令就可能跑到前面去，编译器和CPU都会这么做。
注1：单线程代码不需要关心乱序的问题。因为乱序至少要保证这一原则：不能改变单线程程序的执行行为
注2：内核对象多线程编程在设计的时候都阻止了它们调用点中的乱序（已经隐式包含memory barrier），不需要考虑乱序的问题。
注3：使用用户模式下的线程同步时，乱序的效果才会显露无疑。
程序员可以使用c++11 atomic提供了6种memory order，来在编程语言层面对编译器和cpu实施的重排指令行为进行控制
多线程编程时，通过这些标志位，来读写原子变量，可以组合出4种同步模型：
Relaxed ordering
Release-Acquire ordering
Release-Consume ordering
Sequentially-consistent ordering
默认情况下，std::atomic使用的是Sequentially-consistent ordering(最严格的同步模型)。但在某些场景下，合理使用其它3种ordering，可以让编译器优化生成的代码，从而提高性能。
Relaxed ordering
在这种模型下，std::atomic的load()和store()都要带上memory_order_relaxed参数。Relaxed ordering仅仅保证load()和store()是原子操作，除此之外，不提供任何跨线程的同步。
先看看一个简单的例子：
std::atomic<int> x = 0; // global variable std::atomic<int> y = 0; // global variable Thread-1: Thread-2: r1 = y.load(memory_order_relaxed); // A r2 = x.load(memory_order_relaxed); // C x.store(r1, memory_order_relaxed); // B y.store(42, memory_order_relaxed); // D
执行完上面的程序，可能出现r1 == r2 == 42。理解这一点并不难，因为编译器允许调整 C 和 D 的执行顺序。
如果程序的执行顺序是 D -> A -> B -> C，那么就会出现r1 == r2 == 42。
如果某个操作只要求是原子操作，不需要其它同步的保障，就可以使用 Relaxed ordering。程序计数器是一种典型的应用场景。
#include <cassert>
#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();
}
assert(cnt == 10000); // never failed
return 0;
}
Release-Acquire ordering
在这种模型下，store()使用memory_order_release，而load()使用memory_order_acquire。这种模型有两种效果，第一种是可以限制 CPU 指令的重排：
（1）在store()之前的所有读写操作，不允许被移动到这个store()的后面。 // write-release语义
（2）在load()之后的所有读写操作，不允许被移动到这个load()的前面。 // read-acquire语义
该模型可以保证：如果Thread-1的store()的那个值，成功被 Thread-2的load()到了，那么 Thread-1在store()之前对内存的所有写入操作，此时对 Thread-2 来说，都是可见的。
下面的例子阐述了这种模型的原理：
#include <thread>
#include <atomic>
#include <cassert>
#include <string>
std::atomic<bool> ready{ false };
int data = 0;
void producer()
{
data = 100; // A
ready.store(true, std::memory_order_release); // B
}
void consumer()
{
while (!ready.load(std::memory_order_acquire)) // C
;
assert(data == 100); // never failed // D
}
int main()
{
std::thread t1(producer);
std::thread t2(consumer);
t1.join();
t2.join();
return 0;
}
让我们分析一下这个过程：
首先 A 不允许被移动到 B 的后面。
同样 D 也不允许被移动到 C 的前面。
当 C 从 while 循环中退出了，说明 C 读取到了 B store()的那个值，此时，Thread-2 保证能够看见 Thread-1 执行 B 之前的所有写入操作（也即是 A）。
使用Release-Acquire ordering实现双重检查锁模式(DLCP)
下面单件为例来说明：
class Singleton
{
public:
static Singleton* get_instance() {
Singleton* tmp = instance_.load(std::memory_order_acquire);
if (tmp == nullptr) {
std::unique_lock<std::mutex> lk(mutex_);
tmp = instance_;
if (tmp == nullptr) {
tmp = new Singleton();
instance_.store(std::memory_order_release);
}
}
return tmp;
}
private:
Singleton() = default;
static std::atomic<Singleton*> instance_;
static std::mutex mutex_;
};
使用Release-Acquire ordering实现自旋锁(Spinlock)
获取和释放语义，是实现锁的基础(Spinlock, Mutex, RWLock, ...)，所有被[Read Acquire,Write Release]包含的区域，即构成了一个临界区，临界区里的内存操作，不会乱序到临界区之外执行。
read-acquire(判断是否加锁，没则加锁，否则循环等待)
-------------------------------------------------------------------------
all memory operation stay between the line（临界区）
-------------------------------------------------------------------------
write-release(释放锁)
实现代码如下：
#include <atomic>
class simple_spin_lock
{
public:
simple_spin_lock() = default;
void lock()
{
while (flag.test_and_set(std::memory_order_acquire))
continue;
}
void unlock()
{
flag.clear(std::memory_order_release);
}
private:
simple_spin_lock(const simple_spin_lock&) = delete;
simple_spin_lock& operator =(const simple_spin_lock&) = delete;
std::atomic_flag flag = ATOMIC_FLAG_INIT;
};
①对std::atomic_flag的操作具有原子性，保证了同一时间，只有一个线程能够lock成功，其余线程全部在while循环
②使用了acquire内存屏障， 所以lock具有获取语义
③使用了release内存屏障， 所以unlock具有释放语义
Release-Consume ordering
在这种模型下，store()使用memory_order_release，而load()使用memory_order_consume。这种模型有两种效果，第一种是可以限制 CPU 指令的重排：
（1）在store()之前的所有读写操作，不允许被移动到这个store()的后面。
（2）在load()之后的所有依赖此原子变量的读写操作，不允许被移动到这个load()的前面。
注：不依赖此原子变量的读写操作可能会CPU指令重排
下面的例子阐述了这种模型的原理：
#include <thread>
#include <atomic>
#include <cassert>
#include <string>
std::atomic<std::string*> ptr;
int data;
// thread1
void producer()
{
std::string* p = new std::string("Hello"); // A
data = 42; // B
ptr.store(p, std::memory_order_release); // C
}
// thread2
void consumer()
{
std::string* p2;
while (!(p2 = ptr.load(std::memory_order_consume))) // D
;
assert(*p2 == "Hello"); //E always true: *p2 carries dependency from ptr
assert(data == 42); // F may be false: data does not carry dependency from ptr
}
int main()
{
std::thread t1(producer);
std::thread t2(consumer);
t1.join();
t2.join();
return 0;
}
Sequentially-consistent ordering
所有以memory_order_seq_cst为参数的原子操作(不限于同一个原子变量)，对所有线程来说有一个全局顺序(total order)
并且两个相邻memory_order_seq_cst原子操作之间的其他操作(包括非原子变量操作)，不能reorder到这两个相邻操作之外
UE4下的Memory Order
enum class EMemoryOrder
{
// Provides no guarantees that the operation will be ordered relative to any other operation.
Relaxed,
// Establishes a single total order of all other atomic operations marked with this.
SequentiallyConsistent // Load和Store函数缺省为该类型
};
详见：UnrealEngine\Engine\Source\Runtime\Core\Public\Templates\Atomic.h
Atomic相关的测试代码见：UnrealEngine\Engine\Source\Runtime\Core\Private\Tests\Misc\AtomicTest.cpp
以上就是详解c++ atomic原子编程中的Memory Order的详细内容，更多关于c++ atomic原子编程中的Memory Order的资料请关注脚本之家其它相关文章！