在C ++ 11线程中，什么能保证std :: mutex具有内存可见性？

Question

我目前正在尝试学习C ++ 11线程API，并且发现各种资源没有提供必要的信息：如何处理CPU缓存。现代CPU的每个内核都有一个缓存（这意味着不同的线程可能使用不同的缓存）。这意味着一个线程有可能将一个值写入内存，而另一个线程可能看不到该值，即使它看到第一个线程也进行了其他更改。

当然，任何好的线程API都提供了解决此问题的方法。但是，在C ++的线程API中，尚不清楚它是如何工作的。我知道，std::mutex例如，a 以某种方式保护内存，但尚不清楚它的作用：是否清除了整个CPU缓存，是否仅清除了当前线程缓存中互斥对象内部访问的对象，或其他？

同样，显然，只读访问不需要互斥锁，但是如果线程1和仅线程1持续写入内存以修改对象，其他线程可能不会看到该对象的过时版本，从而使需要某种缓存清除吗？

原子类型是否只是绕过缓存并使用一条CPU指令从主存储器中读取值？他们是否保证访问内存中的其他位置？

在CPU缓存的上下文中，C ++ 11的线程化api中的内存访问如何工作？

有些问题，比如这一个讲内存栅栏，以及一个内存模式，但没有源似乎是在CPU缓存的情况下，这是什么这个问题问到解释这一点。

Answer 1

std::mutex具有release-acquire内存排序语义，因此线程 A 中happened-before从线程 A 的角度原子写入临界区的所有内容都必须对线程 B 可见，然后才能进入线程 B 中的临界区。

阅读http://en.cppreference.com/w/cpp/atomic/memory_order以开始使用。另一个很好的资源是C++ Concurrency in Action一书。话虽如此，当使用高级同步原语时，您应该能够忽略大多数这些细节，除非您很好奇或想弄脏自己的手。

Answer 2

我想我明白你的意思。这里有三件事在起作用。

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• C++11 标准描述了语言级别发生的情况...锁定 astd::mutex是同步操作。C++ 标准没有描述其工作原理。就 C++ 标准而言，CPU 缓存并不存在。

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• C++ 实现在某些时候会在应用程序中放入一些实现互斥锁的机器代码。创建此实现的工程师必须考虑 C++11 规范和体系结构规范。

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• CPU 本身管理缓存的方式是提供 C++ 实现工作所需的语义。

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如果您查看原子，这可能会更容易理解，原子会转换为更小的汇编代码片段，但仍然提供同步。例如，在GodBolt上试试这个：

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#include <atomic>\n\nstd::atomic<int> value;\n\nint acquire() {\n    return value.store(std::memory_order_acquire);\n}\n\nvoid release() {\n    value.store(0, std::memory_order_release);\n}\n

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你可以看到装配：

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acquire():\n  mov eax, DWORD PTR value[rip]\n  ret\nrelease():\n  mov DWORD PTR value[rip], 0\n  ret\nvalue:\n  .zero 4\n

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因此，在 x86 上，\xe2\x80\x99s 没有任何必要，CPU 已经提供了所需的内存排序语义（尽管您可以使用mfence通常由操作隐含的显式 it\xe2\x80\x99s）。这绝对不是它在所有处理器上的工作方式，请参阅功率输出：

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acquire():\n.LCF0:\n0: addis 2,12,.TOC.-.LCF0@ha\n  addi 2,2,.TOC.-.LCF0@l\n  addis 3,2,.LANCHOR0@toc@ha # gpr load fusion, type int\n  lwz 3,.LANCHOR0@toc@l(3)\n  cmpw 7,3,3\n  bne- 7,$+4\n  isync\n  extsw 3,3\n  blr\n  .long 0\n  .byte 0,9,0,0,0,0,0,0\nrelease():\n.LCF1:\n0: addis 2,12,.TOC.-.LCF1@ha\n  addi 2,2,.TOC.-.LCF1@l\n  lwsync\n  li 9,0\n  addis 10,2,.LANCHOR0@toc@ha\n  stw 9,.LANCHOR0@toc@l(10)\n  blr\n  .long 0\n  .byte 0,9,0,0,0,0,0,0\nvalue:\n  .zero 4\n

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这里有明确的isync指令，因为如果没有它们，Power 内存模型提供的保证会更少。

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然而，这只是将事情降低到一个较低的水平。CPU 本身使用MESI 协议等技术来管理共享高速缓存，这是一种维护高速缓存一致性的技术。

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在 MESI 协议中，当核心修改缓存块时，它必须从其他缓存中刷新该块。其他内核将块标记为无效，并在必要时将内容写入主内存。这是低效的，但却是必要的。因此，您不想尝试将一堆常用的互斥体或原子变量放入一小块内存区域中，因为最终可能会导致多个核心争夺同一块缓存。维基百科的文章相当全面，并且比我在这里写的更详细。

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我忽略的事实是，互斥体通常需要某种内核级支持才能使线程进入睡眠或唤醒状态。

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