volatile 和 mutex 是否确保 C++ 中的内存排序？

Question

假设我有两个变量：

volatile int a = 0;
int b = 0;

它们在两个线程之间共享。现在在第一个线程中，我按以下顺序修改这些变量：

a = 1;
b = 2;

在第二个线程我做：

while (true) {
    if (b == 2)
        assert(a == 1);
}

是否保证第二个线程永远不会失败？这意味着第二个线程读取出的写入的值a，并b以相同的顺序，他们是由第一个线程写的？

如您所见，我制作了avolatile 和bnon-volatile。所以我的问题是 volatile 修饰符是否对内存写入的顺序有任何保证？如果我b也制作volatile它会改善情况吗？

或者，只有这样，才能保证顺序是使用std::atomic<int>两个a及b？

怎么样std::mutex？如果我通过两个线程上的单个共享互斥锁保护两个变量并使用非易失性变量，它是否有助于内存排序？也就是说，如果我做下一个（包括a和b是非易失性的）：

int a = 0, b = 0; // shared
std::mutex m; // shared
// .... In Thread 1 ....
{
    std::unique_lock<std::mutex> l(m);
    a = 1; b = 2;
}
// .... In Thread 2 ....
while (true) {
    std::unique_lock<std::mutex> l(m);
    assert(a == 0 && b == 0 || a == 1 && b == 2);
}

上述对非易失性a和b变量使用互斥锁的解决方案是否保证断言永远不会失败，这意味着a和b都是 0 或同时设置为正确的值 1 和 2？有时候，它可以发生释放互斥量之后a并b可以没有1和2，其他线程和CPU内核？例如a写入a延迟然后其他核心看到a等于0和b等于2，会发生这种情况吗？

即互斥锁是否保证内存顺序和内核之间的缓存传播？也许获取/释放互斥量会刷新缓存或使用其他一些内存排序技术？

或者我必须使用std::atomic所有共享变量？

Answer 1

是否保证第二个线程永远不会失败？这意味着第二个线程以与第一个线程写入的顺序相同的顺序读取 a 和 b 的写入值？

不，事实上，根本没有任何保证。从一个线程不同步地写入（非原子）变量并从另一个线程读取它们会调用未定义的行为，这意味着就编译器而言，任何事情都可能发生，因为程序被破坏了。

所以我的问题是 volatile 修饰符是否对内存写入的顺序有任何保证？

在处理多个线程时，您必须注意两种重新排序：

1. 通过编译器的优化器在编译时重新排序指令。（例如，它可能会将您的代码更改b = 2; a = 1;为使您的程序更高效的一部分，因为在“as-if”规则下允许这样做）
2. CPU 的指令解码器在运行时对生成的操作码进行即时重新排序（也是出于性能原因）。

该volatile关键字可以帮助您与类型（1），但它不能（或至少不）做一下类型（2）任何东西，因此它最终被不足以用于制造多线程程序正常工作。 volatile也根本无法帮助您解决缓存一致性问题。对于多线程，您需要比volatile所能提供的更强大的魔法（这是有道理的，因为volatile从来没有打算成为多线程构造——它旨在用于更简单的用例，例如读取内存映射设备寄存器）

或者保证顺序的唯一方法是对 a 和 b 都使用 std::atomic ？std::mutex 呢？

这两种方法中的任何一种都应该足以获得您正在寻找的写入顺序保证。但是，只有互斥锁可以提供更一般的一致性保证（见下文）。

互斥量是否保证内存顺序并缓存内核之间的传播？

是的——只要每个线程在读取或写入共享变量之前锁定互斥锁（并在之后解锁互斥锁），那么每个线程都会看到处于一致/一致状态的共享变量。内存顺序和缓存更新传播问题都将由互斥体实现为您处理（假设互斥体实现没有错误，这是当今可靠的假设）

或者我必须对所有共享变量使用 std::atomic ？

std::atomic可以工作，虽然它只保证内存写入顺序；如果您还需要非平凡的一致性保证，它就无济于事。例如，如果线程 A 需要设置两个或多个变量，并且您需要保证线程 B 要么“看到”所有这些设置，要么看不到任何设置（并且永远不会看到只有其中一些设置的临时状态）设置），那么您将需要使用互斥锁。