C++ 11 多线程初探-std::memory_order

　　std::memory_order（可译为内存序，访存顺序）

　　动态内存模型可理解为存储一致性模型，主要是从行为(behavioral)方面来看多个线程对同一个对象同时(读写)操作时(concurrency)所做的约束，动态内存模型理解起来稍微复杂一些，涉及了内存，Cache，CPU 各个层次的交互，尤其是在共享存储系统中，为了保证程序执行的正确性，就需要对访存事件施加严格的限制。

　　假设存在两个共享变量a, b，初始值均为 0，两个线程运行不同的指令，如下表格所示，线程 1 设置 a 的值为 1，然后设置 R1 的值为 b，线程 2 设置 b 的值为 2，并设置 R2 的值为 a，请问在不加任何锁或者其他同步措施的情况下，R1，R2 的最终结

果会是多少？

                          

由于没有施加任何同步限制，两个线程将会交织执行，但交织执行时指令不发生重排，即线程 1 中的 a = 1 始终在 R1 = b 之前执行，而线程 2 中的 b = 2 始终在 R2 = a 之前执行 ，因此可能的执行序列共有 4!/(2!*2!) = 6 种

　　多线程环境下顺序一致性包括两个方面，(1). 从多个线程平行角度来看，程序最终的执行结果相当于多个线程某种交织执行的结果，(2)从单个线程内部执行顺序来看，该线程中的指令是按照程序事先已规定的顺序执行的(即不考虑运行时 CPU 乱序执行和 Memory Reorder)。当然，顺序一致性代价太大，不利于程序的优化，现在的编译器在编译程序时通常将指令重新排序。对编译器和 CPU 作出一定的约束才能合理正确地优化你的程序，那么这个约束是什么呢？答曰：内存模型。C++程序员要想写出高性能的多线程程序必须理解内存模型，编译器会给你的程序做优化(静态)，CPU为了提升性能也有乱序执行(动态)，总之，程序在最终执行时并不会按照你之前的原始代码顺序来执行，因此内存模型是程序员、编译器，CPU 之间的契约，遵守契约后大家就各自做优化，从而尽可能提高程序的性能。

C++11 中规定了 6 中访存次序(Memory Order)，如下：

enum memory_order {
    memory_order_relaxed,
    memory_order_consume,
    memory_order_acquire,
    memory_order_release,
    memory_order_acq_rel,
    memory_order_seq_cst
};

上述 6 中访存次序(内存序)分为 3 类，顺序一致性模型(std::memory_order_seq_cst)，Acquire-Release 模型(std::memory_order_consume, std::memory_order_acquire, std::memory_order_release, std::memory_order_acq_rel,) （获取/释放语义模型

）和 Relax 模型(std::memory_order_relaxed)（宽松的内存序列化模型）。

　　memory_order_relaxed: 只保证当前操作的原子性，不考虑线程间的同步，其他线程可能读到新值，也可能读到旧值。比如 C++ shared_ptr 里的引用计数，我们只关心当前的应用数量，而不关心谁在引用谁在解引用。

　　memory_order_release:（可以理解为 mutex 的 unlock 操作）

1. 1. 对写入施加 release 语义（store），在代码中这条语句前面的所有读写操作都无法被重排到这个操作之后，即 store-store 不能重排为 store-store, load-store 也无法重排为 store-load
   2. 当前线程内的所有写操作，对于其他对这个原子变量进行 acquire 的线程可见
   3. 当前线程内的与这块内存有关的所有写操作，对于其他对这个原子变量进行 consume 的线程可见

　　memory_order_acquire: （可以理解为 mutex 的 lock 操作）

1. 1. 对读取施加 acquire 语义（load），在代码中这条语句后面所有读写操作都无法重排到这个操作之前，即 load-store 不能重排为 store-load, load-load 也无法重排为 load-load
   2. 在这个原子变量上施加 release 语义的操作发生之后，acquire 可以保证读到所有在 release 前发生的写入，举个例子：

   3. c = 0;
      thread 1:{ 
          a = 1; 
          b.store(2, memory_order_relaxed); 
          c.store(3, memory_order_release);
      }
      thread 2:{ 
          while (c.load(memory_order_acquire) != 3) ; // 以下 assert 永远不会失败 
          assert(a == 1 && b == 2);
           assert(b.load(memory_order_relaxed) == 2);
      }

　　memory_order_consume:

1. 1. 对当前要读取的内存施加 release 语义（store），在代码中这条语句后面所有与这块内存有关的读写操作都无法被重排到这个操作之前
   2. 在这个原子变量上施加 release 语义的操作发生之后，acquire 可以保证读到所有在 release 前发生的并且与这块内存有关的写入，举个例子：

　　　　　　

a = 0;
c = 0;
thread 1:{
    a = 1; 
    c.store(3, memory_order_release);
}
thread 2:{ 
    while (c.load(memory_order_consume) != 3) ; 
    assert(a == 1); // assert 可能失败也可能不失败
}

 

memory_order_acq_rel:

1. 1. 对读取和写入施加 acquire-release 语义，无法被重排
   2. 可以看见其他线程施加 release 语义的所有写入，同时自己的 release 结束后所有写入对其他施加 acquire 语义的线程可见

　　memory_order_seq_cst:（顺序一致性）

1. 1. 如果是读取就是 acquire 语义，如果是写入就是 release 语义，如果是读取+写入就是 acquire-release 语义
   2. 同时会对所有使用此 memory order 的原子操作进行同步，所有线程看到的内存操作的顺序都是一样的，就像单个线程在执行所有线程的指令一样

通常情况下，默认使用 memory_order_seq_cst，所以你如果不确定怎么这些 memory order，就用这个。