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c++ - std::atomic::load 的内存排序行为

coder 2024-02-11 原文

我是否错误地假设 atomic::load 也应该充当内存屏障以确保所有先前的非原子 写入将对其他线程可见？

举例说明:

volatile bool arm1 = false;
std::atomic_bool arm2 = false;
bool triggered = false;

线程 1:

arm1 = true;
//std::std::atomic_thread_fence(std::memory_order_seq_cst); // this would do the trick 
if (arm2.load())
    triggered = true;

线程 2:

arm2.store(true);
if (arm1)
    triggered = true;

我预计在执行两个“触发”之后都是真的。请不要建议使 arm1 成为原子的，重点是探索 atomic::load 的行为。

虽然我不得不承认我并不完全理解 memory order 的不同宽松语义的正式定义。我认为顺序一致的顺序非常简单，因为它保证“存在一个单一的总顺序，其中所有线程都以相同的顺序观察所有修改。”对我来说，这意味着具有默认内存顺序 std::memory_order_seq_cst 的 std::atomic::load 也将充当内存栅栏。 “顺序一致排序”下的以下声明进一步证实了这一点:

总顺序排序需要所有多核系统上的完整内存栅栏 CPU 指令。

然而，我下面的简单示例演示了 MSVC 2013、gcc 4.9 (x86) 和 clang 3.5.1 (x86) 的情况并非如此，其中原子加载只是转换为加载指令。

#include <atomic>

std::atomic_long al;

#ifdef _WIN32
__declspec(noinline)
#else
__attribute__((noinline))
#endif
long load() {
    return al.load(std::memory_order_seq_cst);
}

int main(int argc, char* argv[]) {
    long r = load();
}

对于 gcc，这看起来像:

load():
   mov  rax, QWORD PTR al[rip]   ; <--- plain load here, no fence or xchg
   ret
main:
   call load()
   xor  eax, eax
   ret

我将省略本质上相同的 msvc 和 clang。现在在 ARM 的 gcc 上我们得到了我所期望的:

load():
     dmb    sy                         ; <---- data memory barrier here
     movw   r3, #:lower16:.LANCHOR0
     movt   r3, #:upper16:.LANCHOR0
     ldr    r0, [r3]                   
     dmb    sy                         ; <----- and here
     bx lr
main:
    push    {r3, lr}
    bl  load()
    movs    r0, #0
    pop {r3, pc}

这不是一个学术问题，它会导致我们的代码中出现微妙的竞争条件，这会质疑我对 std::atomic 行为的理解。

最佳答案

唉，评论太长了:

Isn't the meaning of atomic "to appear to occur instantaneously to the rest of the system"?

我会说是和否，这取决于您如何看待它。对于使用 SEQ_CST 的写入，是的。但就如何处理原子负载而言，请查看 C++11 标准的 29.3。具体来说，29.3.3 非常适合阅读，而 29.3.4 可能正是您要查找的内容:

For an atomic operation B that reads the value of an atomic object M, if there is a memory_order_seq_- cst fence X sequenced before B, then B observes either the last memory_order_seq_cst modification of M preceding X in the total order S or a later modification of M in its modification order.

基本上，SEQ_CST 强制执行全局顺序，就像标准所说的那样，但读取可以返回旧值而不违反“原子”约束。

要完成“获取绝对最新值”，您需要执行强制硬件一致性协议(protocol)锁定的操作(x86_64 上的 lock 指令)。如果您查看程序集输出，这就是原子比较和交换操作所做的。

关于c++ - std::atomic::load 的内存排序行为，我们在Stack Overflow上找到一个类似的问题： https://stackoverflow.com/questions/28783456/

ampatomiccodeloadc++c++11memory-fences

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