C++ 多线程：探索内存模型的细微之处

C++ 多线程：内存模型 (std::memory_order)

概念

在 C++11 标准原子库中 (std::atomic)，大多数函数都接受一个参数：std::memory_order。此参数指定了原子操作在执行时的内存语义行为。在多线程环境中，了解和正确使用 std::memory_order 至关重要，因为它有助于确保线程之间的正确同步和数据一致性。

std::memory_order 枚举包含以下值，指定了不同的内存语义：

• memory_order_relaxed：不提供任何同步保证。
• memory_order_consume：仅提供对当前线程的可见性保证。
• memory_order_acquire：仅提供对其他线程的可见性保证。
• memory_order_release：使对其他线程可见。
• memory_order_acq_rel：既获取又释放，提供对所有线程的可见性和同步。
• memory_order_seq_cst：最严格的内存语义，提供顺序一致性。

理解不同内存语义

• Relaxed： 没有任何同步保证，允许编译器和处理器在执行指令时进行重新排序和优化。
• Consume： 保证当前线程可以看到由原子操作写入的值，但其他线程可能仍未看到。
• Acquire： 保证其他线程可以看到由原子操作写入的值，但当前线程可能仍未看到。
• Release： 保证对当前线程可见的写入对其他线程也可见。
• Acq/Rel： 既是 Acquire 又 Release，保证所有线程都可以看到写入，并且在所有线程中按照顺序执行。
• Seq/Cst： 最严格的内存语义，保证写入按顺序执行，并且对所有线程始终可见。

选择合适的内存语义

选择合适的 std::memory_order 对于确保多线程程序的正确性和健壮性至关重要。一般指南包括：

• 对于临时数据或不会被其他线程访问的数据，可以使用 Relaxed。
• 对于线程间通信，如信号量或锁，应使用 Acquire/Release。
• 对于需要严格有序执行的代码块，应使用 Seq/Cst。

示例

以下是一个示例，说明如何使用不同的 std::memory_order：

std::atomic<int> shared_value = 0;

void thread1() {
  shared_value.store(1, std::memory_order_release);
}

void thread2() {
  while (shared_value.load(std::memory_order_acquire) == 0) {
    // 等待线程 1 设置 shared_value
  }
}

在这个示例中，thread1 使用 std::memory_order_release 将值存储到 shared_value，这将确保对其他线程可见。thread2 使用 std::memory_order_acquire 加载 shared_value，这将确保它可以看到 thread1 存储的值。

结论

理解和正确使用 std::memory_order 在 C++ 多线程编程中至关重要。通过仔细选择内存语义，开发人员可以确保线程之间的正确同步和数据一致性，从而构建健壮且可扩展的多线程应用程序。