【c++】内存序和内存一致性模型

news2025/3/19 14:22:42

c++ 11 中为了支持并发，定义了内存序和内存一致性模型。这个概念听起来非常高深，好像是在多线程编程领域浸淫多年之后的神级程序员才能搞明白，并用明白的东西。

本文尝试用最简单的方式说清楚这个概念。因为这个概念真的超级简单，大家真的被这个概念欺骗了。

我用一句话就能说清楚。内存一致性模型的本质是防止 编译器和CPU过度优化。意思是告诉编译器和 CPU 在什么情况下，不要做乱序处理。

举个例子：

std::atomic<bool> valVailable(false); 
auto imptValue = computeImportantValue();   //计算值
valAvailable = true;                        //告诉另一个任务，值可用了

假设线程 A 在执行上面的代码，线程B 在轮询变量 valAvailable。当 valAvailable 变为 true 时，使用 imptValue 变量做自己的事情。

这种情况下，imptValue 变量在 valAvailable 之前被赋值就很重要了。从代码上看，这不是明摆着么？

但事实上，如果 valAvailable 不是原子变量，所有编译器看到的是给相互独立的变量的一对赋值操作。通常来说，编译器会被允许重排这对没有关联的操作。变成

valAvailable = true;                        //告诉另一个任务，值可用了
auto imptValue = computeImportantValue();   //计算值

最终造成错误。
即使编译器没有重排顺序，底层硬件也可能重排(乱序执行)（或者可能使它看起来运行在其他核心上），因为有时这样代码执行更快。

内存序往往和原子变量一起使用。普通变量意味着内存序不重要。因此把普通变量用在并发场景是绝对的错误。

上面的代码成立还有一个保证，就是c++对原子变量的默认内存序要求是：std::memory_order_seq_cst，意味着全局顺序一致性。在本次操作之前的所有读写操作，不允许重排到后面，后面所有的读写也不允许重排在我前面。

此外，c++ 还有另外 5 种内存序

std::memory_order_acq_rel：同时具有 acquire 和 release 语义
对于当前操作：
- 读操作：具有 acquire 语义，确保后续操作不会重排到它之前。
- 写操作：具有 release 语义，确保前面的操作不会重排到它之后。
std::memory_order_release：禁止前面写操作重排到它之后，确保本线程的修改对其他线程的获取操作可见。
std::memory_order_acquire：禁止后续读操作重排到它之前，确保能观察到其他线程的释放操作。
std::memory_order_consume：保证数据依赖顺序（已不推荐使用）。
std::memory_order_relaxed：仅保证原子性，无顺序约束，就是说编译器和 cpu 可以随便重排，只要保证本次操作是原子的就行。