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淺談關(guān)于C++memory_order的理解

更新時(shí)間：2020年08月27日 09:06:39 作者：ManateeFan

這篇文章主要介紹了淺談關(guān)于C++memory_order的理解，文中通過(guò)示例代碼介紹的非常詳細(xì)，對(duì)大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價(jià)值，需要的朋友們下面隨著小編來(lái)一起學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)吧

看了c++并發(fā)編程實(shí)戰(zhàn)的內(nèi)存模型部分后，一直對(duì)memory_order不太懂，今天在知乎發(fā)現(xiàn)了百度的brpc，恰好有關(guān)于原子操作的文檔，感覺解釋的很好。為了加深理解，再次總結(jié)一遍。

在多核編程中，我們使用鎖來(lái)避免多個(gè)線程修改同一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生的競(jìng)爭(zhēng)條件。但是，鎖會(huì)消耗系統(tǒng)資源，當(dāng)鎖成為性能瓶頸的時(shí)候，就需要使用另一種方法——原子指令。c++11中引入了原子類型atomic。

原子指令 (x均為std::atomic) 作用x.load()返回x的值。x.store(n)把x設(shè)為n，什么都不返回。x.exchange(n)把x設(shè)為n，返回設(shè)定之前的值。x.compare_exchange_strong(expected_ref, desired)若x等于expected_ref，則設(shè)為desired，返回成功；否則把最新值寫入expected_ref，返回失敗。x.compare_exchange_weak(expected_ref, desired)相比compare_exchange_strong可能有spurious wakeup。x.fetch_add(n), x.fetch_sub(n)原子地做x += n, x-= n，返回修改之前的值。

但僅靠原子指令實(shí)現(xiàn)不了對(duì)資源的訪問控制。這造成的原因是編譯器和cpu實(shí)施了重排指令，導(dǎo)致讀寫順序會(huì)發(fā)生變化，只要不存在依賴，代碼中后面的指令可能會(huì)被放在前面，從而先執(zhí)行它。cpu這么做是為了盡量塞滿每個(gè)時(shí)鐘周期，在單位時(shí)間內(nèi)盡量執(zhí)行更多的指令，從而提高吞吐率。

下面看個(gè)例子：

// thread 1
// ready was initialized to false
p.init();
ready = true;

// thread 2
if(ready) {
 p.bar();
}

線程2在ready為true的時(shí)候會(huì)訪問p，對(duì)線程1來(lái)說(shuō)，如果按照正常的執(zhí)行順序，那么p先被初始化，然后在將ready賦為true。但對(duì)多核的機(jī)器而言，情況可能有所變化：

線程1中的ready = true可能會(huì)被cpu或編譯器重排到p.init()的前面，從而優(yōu)先執(zhí)行ready = true這條指令。在線程2中，p.bar()中的一些代碼可能被重排到if(ready)之前。
即使沒有重排，ready和p的值也會(huì)獨(dú)立地同步到線程2所在核心的cache，線程2仍然可能在看到ready為true時(shí)看到未初始化的p。

為了解決這個(gè)問題，cpu和編譯器提供了memory fence，讓用戶可以聲明訪存指令的可見性關(guān)系，c++11總結(jié)為以下memory order：

memory order	作用
memory_order_relaxed	無(wú)fencing作用，cpu和編譯器可以重排指令
memory_order_consume	后面依賴此原子變量的訪存指令勿重排至此條指令之前
memory_order_acquire	后面訪存指令勿重排至此條指令之前
memory_order_release	前面的訪存指令勿排到此條指令之后。當(dāng)此條指令的結(jié)果被同步到其他核的cache中時(shí)，保證前面的指令也已經(jīng)被同步。
memory_order_acq_rel	acquare + release
memory_order_seq_cst	acq_rel + 所有使用seq_cst的指令有嚴(yán)格的全序關(guān)系

有了memoryorder，我們可以這么改上面的例子：

// Thread1
// ready was initialized to false
p.init();
ready.store(true, std::memory_order_release);

// Thread2
if (ready.load(std::memory_order_acquire)) {
  p.bar();
}

線程2中的acquire和線程1的release配對(duì)，確保線程2在看到ready==true時(shí)能看到線程1 release之前所有的訪存操作。

注意，memory fence不等于可見性，即使線程2恰好在線程1在把ready設(shè)置為true后讀取了ready也不意味著它能看到true，因?yàn)橥絚ache是有延時(shí)的。memory fence保證的是可見性的順序：“假如我看到了a的最新值，那么我一定也得看到b的最新值”。

到此這篇關(guān)于淺談關(guān)于C++memory_order的理解的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C++ memory order內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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