在程序员级别使用 C++ std::atomic 保证什么？

Question

我已经听并阅读了几篇关于 的文章、演讲和 stackoverflow 问题std::atomic，我想确定我已经很好地理解了它。因为由于 MESI（或派生）缓存一致性协议、存储缓冲区、无效队列等可能存在延迟，我仍然对缓存行写入可见性感到困惑。

我读到 x86 具有更强的内存模型，如果缓存失效延迟，x86 可以恢复已启动的操作。但我现在只对作为 C++ 程序员应该假设的内容感兴趣，而与平台无关。

[T1：线程1 T2：线程2 V1：共享原子变量]

我知道 std::atomic 保证，

(1) 变量上不会发生数据竞争（由于对缓存行的独占访问）。

(2) 根据我们使用的 memory_order，它保证（使用屏障）顺序一致性发生（在屏障之前、屏障之后或两者兼而有之）。

(3) 在T1 上的原子写(V1) 之后，T2 上的原子RMW(V1) 将是一致的（它的缓存行将已用T1 上的写入值更新）。

但正如缓存一致性入门所提到的，

所有这些事情的含义是，默认情况下，加载可以获取陈旧数据（如果相应的失效请求位于失效队列中）

那么，以下说法正确吗？

(4)std::atomic不保证 T2 在 T1 上的原子写（V）之后不会在原子读（V）上读取“陈旧”值。

问题（4）是否正确：如果无论延迟如何，T1 上的原子写入都会使缓存行失效，那么为什么 T2 在执行原子 RMW 操作而不是原子读取时等待失效生效？

问题（4）是否错误：线程何时可以在执行中读取“过时”值并且“它是可见的”？

我非常感谢你的回答

更新 1

所以看来我在（3）上错了。想象以下交错，对于初始 V1=0：

T1: W(1)
T2:      R(0) M(++) W(1)

即使在这种情况下 T2 的 RMW 保证完全发生在 W(1) 之后，它仍然可以读取“陈旧”值（我错了）。据此，atomic 不保证完全缓存一致性，只保证顺序一致性。

更新 2

(5) 现在想象这个例子（x = y = 0 并且是原子的）：

T1: x = 1;
T2: y = 1;
T3: if (x==1 && y==0) print("msg");

根据我们所说的，看到屏幕上显示的“msg”不会给我们提供除了 T2 在 T1 之后执行之外的信息。因此，可能发生了以下任一处决：

• T1 < T3 < T2
• T1 < T2 < T3（其中 T3 看到 x = 1 但还没有看到 y = 1）

那正确吗？

(6) 如果一个线程总是可以读取 'stale' 值，如果我们采用典型的“发布”场景，而不是发出一些数据已准备就绪的信号，而是做相反的事情（删除数据），会发生什么？

T1: delete gameObjectPtr; is_enabled.store(false, std::memory_order_release);
T2: while (is_enabled.load(std::memory_order_acquire)) gameObjectPtr->doSomething();

其中 T2 仍将使用已删除的 ptr，直到看到 is_enabled 为 false。

(7) 此外，线程可能读取“过时”值这一事实意味着不能仅用一个无锁原子来实现互斥锁？它需要线程之间的同步机制。它需要一个可锁定的原子吗？

Answer 1

1. 是的，没有数据竞争
2. 是的，使用适当的memory_order值可以保证顺序一致性
3. 原子读取-修改-写入始终发生在对同一变量进行原子写入之前或之后
4. 是的，在 T1 上进行原子写入后，T2 可以从变量中读取过时的值

原子读-修改-写操作以保证其原子性的方式指定。如果另一个线程可以在初始读取之后和 RMW 操作写入之前写入该值，则该操作将不是原子的。

线程总是可以读取过时的值，除非发生之前保证相对排序。

如果 RMW 操作读取“陈旧”值，则它保证它生成的写入在其他线程的任何写入（覆盖其读取的值）之前可见。

更新例如

如果 T1 写入x=1且 T2 写入x++，x初始值为 0，则从存储的角度来看，选择x是：

1. T1 的写入是第一个，因此 T1 写入x=1，然后 T2 读取x==1，将其增加到 2 并x=2作为单个原子操作写回。

2. T1的写入是第二。T2 读取，将其递增到 1，并作为单个操作x==0写回，然后 T1 写入。x=1x=1

但是，如果这两个线程之间没有其他同步点，则线程可以继续执行未刷新到内存的操作。

因此，T1 可以发出x=1，然后继续处理其他事情，即使 T2 仍然会读取x==0（并因此写入x=1）。

如果存在任何其他同步点，那么哪个线程x首先修改就会变得显而易见，因为这些同步点将强制执行顺序。

如果您对从 RMW 操作读取的值有条件，则这一点最为明显。

更新2

5. 如果您memory_order_seq_cst对所有原子操作使用（默认），则无需担心此类事情。从程序的角度来看，如果你看到“msg”，那么T1运行，然后T3，然后T2。

如果您使用其他内存顺序（尤其是memory_order_relaxed），那么您可能会在代码中看到其他情况。

6. 在这种情况下，你有一个错误。假设is_enabled标志为 true，当 T2 进入while循环时，它决定运行主体。T1 现在删除数据，然后 T2 引用指针（这是一个悬空指针），并随之发生未定义的行为。除了防止标志上的数据竞争之外，原子不会以任何方式帮助或阻碍。

7. 您可以使用单个原子变量来实现互斥体。