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​C++的memoryorder怎么理解

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Key Points:

  • 要从"防止编译器重排"与"防止CPU乱序"两个角度去理解 memory_order
  • release semantics 一言以蔽之,一般表示 "最后 Store"
  • acquire semantics     一言以蔽之,一般表示 "最先 Load"
  • 注意 x86_64 CPU 一般^1都满足 strong memory model 特性:CPU 四种可能发生的乱序中,只允许StoreLoad乱序(或称为StoreLoad重排)

​C++的memory order怎么理解

 

1)与 atomic 连用

memory_order_relaxed:atomic variable 的 relaxed操作和普通变量普通操作有何区别?

  • 普通变量的SL操作并不保证原子性,而 atomic 变量的所有操作都是保证原子性的。(TODO: 甚至不会被中断打断?)
  • x86_64 实测:atomic 变量结合任意 memory_order 都能有效防止编译器重排。

memory_order_consume:所有后续 data-dependent 的 S/L 操作禁止被 re-order 到本 L 前面。和 release-S 连用。

memory_order_acquire:所有后续 S/L 操作禁止被 re-order 到本 L 前面。和 release-S 连用。

  • acquire 操作强调本 L 一定是"最先 Load"。

x86_64 实测:

  • a.load(acquire/relaxed) 产生的机器码相同。猜测是由于 x86_64 的 strong-memory-model 性质,禁止     L-S 和     L-L 重排,其任何 Load 都具有 acquire 语义。
  • UB 操作:a.store(acquire),则机器码会在 S 后面添加一个 mfence。此时实际产生的语义为:所有后续 S/L 操作禁止被 re-order 到本 S 前面。猜测是由于 x86_64 CPU 允许 S-L re-order,那么要保证此 S 后面的 S/L 不被重排到本 S 前,那么只能加入 fence 指令。
  • UB 操作:a.load(release) 产生的机器码等同于 a.load(acquire)。(注意并不符合类似 S-release 的语义 "所有前面 S/L 操作禁止被 re-order 到本 L 后面,如果要符合的话必须在本 L 前面加 mfence)"
  • UB 操作:a.load() 接所有 memory_order 都等效于 a.load(acquire),即编译产生同样的机器码。

memory_order_release:所有前面 S/L 操作禁止被 re-order 到本 S 后面。和 acquire/consume-L 连用。

  • release 操作强调本 S 操作一定是"最后 Store"。

x86_64 实测:

  • a.store(release/relaxed) 产生的机器码相同。猜测是由于 x86_64 的 strong-memory-model 性质,禁止 S-     S和 L-     S重排,其任何 Store 都具有 release 语义。
  • UB 操作:a.store(acquire/consume/acq_rel/seq_cst) 产生的机器码相同,都是在本 S 后面加入一个     mfence 指令。猜测是由于 x86_64 中,只需要在 S 后面加一个 mfence,该 S 就能同时满足"本 S 前所有的 S/L 禁止被重排到本 S 之后(即 release 语义)"与"本 S 后所有的 S/L 禁止被重排到本 S 之前(类似 L-acquire 语义)"的两个条件

memory_order_acq_rel:适用于RMW操作。

  • 1)本线程所有 S/L 操作(无论前后)禁止被 re-order 到本 S 前或后。
    • 为什的只提到S?(TODO: 这个RMW操作一定是保证原子性的吗?)
    • 其实是只需要关心 S 即可。因为RMW操作的特性类似一个 LS 操作,这里 S 已经作为了同步点,本线程 L 前的 S/L 即使重排也只能重排在本 L 后且本 S 前,即使发生这种重排也是没有关系的。而本 S 后所有的 S/L 都不可被重排到本 S 前,这样就间接保证了不可被重排到本 L 前,从而也保证了 acquire 语义。
  • 2)执行了相应 release 操作的其他线程,其 release 前的所有 S 一定发生在本 S 前。
    • 这句话其实暗含了其他线程造成的该原子变量本身的 S 一定是发生在本 L 前的。因为如果其他线程对该原子变量的改动还没有被本线程观察到的话,可以认为其他线程并没有写它,也就不存在同步问题。既然观察到了变化,那么这个变化伴随的更改顺序关系才需要被讨论。
    • 由于 S 比 L 慢,因此这个语义只要求其他线程被 release 的 S 一定是发生在本 S 之前就可以,没必要严格到必须发生在本 L 之前,那样效率会变低。不过这个要求已经比单纯的 acquire 严格了,即要求其他线程被 release 的 S 可以发生在本 L 后但必须发生在本 S 前,而单纯的 acquire 只暗含本 L 之后,就能看到相关线程所有被 release 的 S 了
  • 术语情景:x=1; y.store(1, release); 此时称为 x=1 和 y=1 这些 S 最后执行了 release 操作。或者说 x=1 和 y=1 都是被该线程 release 的 S 操作,且同步点是 Y。

memory_order_seq_cst

  • 对于 L 执行 acquire 语义
  • 对于 S 执行 release 语义
  • 对于 RMW 执行 acq_rel 语义,并且对所有线程执行了 seq_cst 操作的 S,都存在一个 TSO
    • TSO:Total Single Order,所有线程观察到的 S 顺序都是一样的?
  • x86_64 实测:
    • seq_cst 与 load 操作连用时,与所有 memory_order 都等效。即编译产生同样的机器码。
    • seq_cst 与 store 操作连用时,与 acquire/consume/acq_rel 等效。

感谢各位的阅读,以上就是“C++的memory order怎么理解”的内容了,经过本文的学习后,相信大家对C++的memory order怎么理解这一问题有了更深刻的体会,具体使用情况还需要大家实践验证。这里是创新互联,小编将为大家推送更多相关知识点的文章,欢迎关注!


网站题目:​C++的memoryorder怎么理解
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