用放松的顺序读取共享变量:理论上是否可能？在C++中有可能吗？

Question

考虑以下伪代码:

expected = null;
if (variable == expected)
{
    atomic_compare_exchange_strong(
        &variable, expected, desired(), memory_order_acq_rel, memory_order_acq);
}
return variable;

观察执行检查时没有 "获取"语义variable == expected.

在我看来desired,总共至少会调用一次,每个线程最多调用一次.
此外,如果desired永远不会返回null,那么此代码将永远不会返回null.

现在,我有三个问题:

1. 以上一定是真的吗？也就是说,即使在每次读取都没有围栏的情况下,我们是否真的可以对共享变量进行有序读取？

2. 是否可以在C++中实现它？如果是这样,怎么样？如果没有,为什么？
   (希望有一个理由,而不仅仅是"因为标准这样说".)

3. 如果(2)的答案是肯定的,那么是否也可以在C++中实现它而不需要variable == expected执行原子读取variable？

基本上,我的目标是了解一旦代码被每个线程至少执行一次,是否有可能以与非共享变量相同的性能执行共享变量的延迟初始化？

(这有点像"语言 - 律师"问题.所以这意味着问题不在于这是一个好的还是有用的想法,而在于技术上是否可以正确地做到这一点.)

Answer 1

关于是否可以在 C++ 中执行共享变量的延迟初始化的问题，其性能（几乎）与非共享变量相同：

答案是，这取决于硬件架构、编译器的实现和运行时环境。至少，在某些环境下是可能的。特别是在带有 GCC 和 Clang 的 x86 上。

在 x86 上，原子读取可以在没有内存栅栏的情况下实现。基本上，原子读取与非原子读取相同。看一下下面的编译单元：

std::atomic<int> global_value;
int load_global_value() { return global_value.load(std::memory_order_seq_cst); }

虽然我使用了具有顺序一致性的原子操作（默认），但生成的代码没有什么特别的。GCC 和 Clang 生成的汇编代码如下所示：

load_global_value():
    movl global_value(%rip), %eax
    retq

我说几乎相同，因为还有其他原因可能会影响性能。例如：

• 尽管没有围栏，原子操作仍然阻止一些编译器优化，例如重新排序指令以及消除存储和加载
• 如果至少有一个线程写入同一缓存行上的不同内存位置，则会对性能产生巨大影响（称为错误共享）

话虽如此，实现延迟初始化的推荐方法是使用std::call_once. 这将为您提供所有编译器、环境和目标架构的最佳结果。

std::once_flag _init;
std::unique_ptr<gadget> _gadget;

auto get_gadget() -> gadget&
{
    std::call_once(_init, [this] { _gadget.reset(new gadget{...}); });
    return *_gadget;
}