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C++并发编程-12. 用内存顺序实现内存模型

news 2025/7/11 14:10:53

前情回顾

前文我们介绍了六种内存顺序，以及三种内存模型，本文通过代码示例讲解六种内存顺序使用方法，并实现相应的内存模型。

全局一致性模型
同步模型(获取和释放)
松散模型

memory_order_seq_cst

memory_order_seq_cst代表全局一致性顺序，可以用于 store, load 和 read-modify-write 操作, 实现 sequencial consistent 的顺序模型. 在这个模型下, 所有线程看到的所有操作都有一个一致的顺序, 即使这些操作可能针对不同的变量, 运行在不同的线程.


std::atomic<bool> x, y;
std::atomic<int> z;
void write_x_then_y() {x.store(true, std::memory_order_relaxed);  // 1y.store(true, std::memory_order_relaxed);  // 2
}
void read_y_then_x() {while (!y.load(std::memory_order_relaxed)) { // 3std::cout << "y load false" << std::endl;}if (x.load(std::memory_order_relaxed)) { //4++z;}
}
void TestOrderRelaxed() {std::thread t1(write_x_then_y);std::thread t2(read_y_then_x);t1.join();t2.join();assert(z.load() != 0); // 5
}

上面的代码load和store都采用的是memory_order_relaxed。线程t1按次序执行1和2，但是线程t2看到的可能是y为true,x为false。进而导致TestOrderRelaxed触发断言z为0.
如果换成memory_order_seq_cst则能保证所有线程看到的执行顺序是一致的。


void write_x_then_y() {x.store(true, std::memory_order_seq_cst);  // 1y.store(true, std::memory_order_seq_cst);  // 2
}
void read_y_then_x() {while (!y.load(std::memory_order_seq_cst)) { // 3std::cout << "y load false" << std::endl;}if (x.load(std::memory_order_seq_cst)) { //4++z;}
}
void TestOrderSeqCst() {std::thread t1(write_x_then_y);std::thread t2(read_y_then_x);t1.join();t2.join();assert(z.load() != 0); // 5
}

上面的代码x和y采用的是memory_order_seq_cst, 所以当线程t2执行到3处并退出循环时我们可以断定y为true，因为是全局一致性顺序，所以线程t1已经执行完2处将y设置为true，那么线程t1也一定执行完1处代码并对t2可见，所以当t2执行至4处时x为true，那么会执行z++保证z不为零，从而不会触发断言。

实现 sequencial consistent 模型有一定的开销. 现代 CPU 通常有多核, 每个核心还有自己的缓存. 为了做到全局顺序一致, 每次写入操作都必须同步给其他核心. 为了减少性能开销, 如果不需要全局顺序一致, 我们应该考虑使用更加宽松的顺序模型.

memory_order_relaxed

memory_order_relaxed 可以用于 store, load 和 read-modify-write 操作, 实现 relaxed 的顺序模型.
前文我们介绍过这种模型下, 只能保证操作的原子性和修改顺序 (modification order) 一致性, 无法实现 synchronizes-with 的关系。

void TestOrderRelaxed() {std::atomic<bool> rx, ry;std::thread t1([&]() {rx.store(true, std::memory_order_relaxed); // 1ry.store(true, std::memory_order_relaxed); // 2});std::thread t2([&]() {while (!ry.load(std::memory_order_relaxed)); //3assert(rx.load(std::memory_order_relaxed)); //4});t1.join();t2.join();
}

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Acquire-Release

在这里插入图片描述

oid TestReleaseAcquire() {std::atomic<bool> rx, ry;std::thread t1([&]() {rx.store(true, std::memory_order_relaxed); // 1ry.store(true, std::memory_order_release); // 2});std::thread t2([&]() {while (!ry.load(std::memory_order_acquire)); //3assert(rx.load(std::memory_order_relaxed)); //4});t1.join();t2.join();
}

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Release sequences

我们再考虑一种情况，多个线程对同一个变量release操作，另一个线程对这个变量acquire，那么只有一个线程的release操作喝这个acquire线程构成同步关系。

void ReleasAcquireDanger2() {std::atomic<int> xd{0}, yd{ 0 };std::atomic<int> zd;std::thread t1([&]() {xd.store(1, std::memory_order_release);  // (1)yd.store(1, std::memory_order_release); //  (2)});std::thread t2([&]() {yd.store(2, std::memory_order_release);  // (3)});std::thread t3([&]() {while (!yd.load(std::memory_order_acquire)); //（4）assert(xd.load(std::memory_order_acquire) == 1); // (5)});t1.join();t2.join();t3.join();
}

(2)和(4) ，(3)和(4)都可以构成同步关系
在这里插入图片描述


void ReleaseSequence() {std::vector<int> data;std::atomic<int> flag{ 0 };std::thread t1([&]() {data.push_back(42);  //(1)flag.store(1, std::memory_order_release); //(2)});std::thread t2([&]() {int expected = 1;while (!flag.compare_exchange_strong(expected, 2, std::memory_order_relaxed)) // (3)expected = 1;});std::thread t3([&]() {while (flag.load(std::memory_order_acquire) < 2); // (4)assert(data.at(0) == 42); // (5)});t1.join();t2.join();t3.join();
}

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memory_order_consume

在这里插入图片描述

void ConsumeDependency() {std::atomic<std::string*> ptr;int data;std::thread t1([&]() {std::string* p = new std::string("Hello World"); // (1)data = 42; // (2)ptr.store(p, std::memory_order_release); // (3)});std::thread t2([&]() {std::string* p2;while (!(p2 = ptr.load(std::memory_order_consume))); // (4)assert(*p2 == "Hello World"); // (5)assert(data == 42); // (6)});t1.join();t2.join();
}

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单例模式改良

还记得我们之前用智能指针双重检测方式实现的单例模式吗？我当时说过是存在线程安全问题的，看看下面这段单例模式

//利用智能指针解决释放问题
class SingleAuto
{
private:SingleAuto(){}SingleAuto(const SingleAuto&) = delete;SingleAuto& operator=(const SingleAuto&) = delete;
public:~SingleAuto(){std::cout << "single auto delete success " << std::endl;}static std::shared_ptr<SingleAuto> GetInst(){// 1 处if (single != nullptr){return single;}// 2 处s_mutex.lock();// 3 处if (single != nullptr){s_mutex.unlock();return single;}// 4处single = std::shared_ptr<SingleAuto>(new SingleAuto);s_mutex.unlock();return single;}
private:static std::shared_ptr<SingleAuto> single;static std::mutex s_mutex;
};

在这里插入图片描述
为了解决这个问题，我们可以通过内存模型来解决


//利用智能指针解决释放问题
class SingleMemoryModel
{
private:SingleMemoryModel(){}SingleMemoryModel(const SingleMemoryModel&) = delete;SingleMemoryModel& operator=(const SingleMemoryModel&) = delete;
public:~SingleMemoryModel(){std::cout << "single auto delete success " << std::endl;}static std::shared_ptr<SingleMemoryModel> GetInst(){// 1 处if (_b_init.load(std::memory_order_acquire)){return single;}// 2 处s_mutex.lock();// 3 处if (_b_init.load(std::memory_order_relaxed)) // 这里可以使用宽松的模型，因为上面的已经加锁了，锁的权力是最大的{s_mutex.unlock();return single;}// 4处single = std::shared_ptr<SingleMemoryModel>(new SingleMemoryModel);_b_init.store(true, std::memory_order_release);s_mutex.unlock();return single;}
private:static std::shared_ptr<SingleMemoryModel> single;static std::mutex s_mutex;static std::atomic<bool> _b_init ;
};
std::shared_ptr<SingleMemoryModel> SingleMemoryModel::single = nullptr;
std::mutex SingleMemoryModel::s_mutex;
std::atomic<bool> SingleMemoryModel::_b_init = false;