C++内存模型 | Olimi’s Blog

内存模型

C++11的内存模型是一种规定了多线程并发操作如何交互的规则。这个模型主要由两部分组成：原子操作(atomic operations)和内存顺序(memory orders)。

原子操作

原子操作是一种特殊的操作，它们在执行期间不能被中断。换句话说，原子操作在执行过程中不会被其他线程的操作所影响。C++11为各种基础类型（如int，float，double，指针等）提供了原子版本，它们都在std::atomic命名空间下。

例如：

std::atomic提供了一系列的操作，比如load(), store(), fetch_add(), fetch_sub()等，它们都是原子的。

内存顺序

内存顺序定义了原子操作的执行顺序。C++11提供了以下几种内存顺序：

std::memory_order_relaxed：不强制执行任何顺序，只保证了单个线程中的操作顺序。

std::memory_order_consume：保证了本线程中，所有依赖于当前原子操作的后续操作，都不会在当前操作之前执行。

std::memory_order_acquire：标记读。保证了本线程中，所有在当前原子读操作之后的读写操作，都不会在当前操作之前执行。

std::memory_order_release：标记写。保证了本线程中，所有在当前原子写操作之前的读写操作，都不会在当前操作之后执行。

std::memory_order_acq_rel：同时具有acquire和release的效果。

std::memory_order_seq_cst：全序，即在所有线程中都按照一致的顺序看待原子操作。

这些内存顺序对于控制线程间的同步非常有用。例如，使用std::memory_order_acquire和std::memory_order_release可以确保数据在被一个线程写入后，再被另一个线程读取。

示例

以下是一个使用std::memory_order的示例：

在这个例子中，std::memory_order_acquire和std::memory_order_release一起使用，确保了数据的正确同步。

这个模型的一个主要优点是，它提供了更精细的控制，以及可能的性能优化。然而，它也增加了编程的复杂性，需要更深入的理解以避免错误。

CAS操作和内存屏障

CAS（Compare And Swap）原子操作是一种常用的无锁同步策略。CAS原子操作包含三个操作数 —— 内存位置V、预期原值A和新值B。如果内存位置V的值与预期原值A相匹配，那么处理器会自动将该位置的值更新为新值B，否则，处理器不做任何操作。整个比较和替换的过程是一个原子操作。

使用示例：cpp里compare_exchange_weak方法执行CAS操作：如果value的当前值等于expected，那么就将value的值更新为updated，否则，就不做任何操作。参考：C++ 原子操作CAS和lockless无锁队列_c++ cas_雪*夹雨夹*雪的博客-CSDN博客。

乱序执行（Out-of-Order Execution）是现代CPU采用的一种提高指令执行效率的技术。在乱序执行中，CPU会预先执行一些指令，然后再按照程序的顺序提交执行结果。这可能会导致多线程程序中的数据竞争问题。为了避免这个问题，我们可以使用内存屏障（Memory Barrier）或者原子操作来确保指令的执行顺序。内存屏障通常用于同步原语（如互斥锁）的实现中，以确保正确的内存可见性。例如，在C++11中，std::atomic的成员函数std::atomic::store和std::atomic::load就包含了内存屏障。

以下是一个使用了内存屏障的简单例子：

在这个例子中，std::memory_order_release内存屏障确保了data的赋值操作在ready的赋值操作之前对其他线程可见。std::memory_order_acquire内存屏障确保了在看到ready变为true之后，可以看到data的正确值。