在C++中重新排序原子操作

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在C++中重新排序原子操作

假设我有2个线程：\n

int value = 0;
std::atomic ready = false;
线程1：
value = 1
ready = true;
线程2：
while (!ready);
std::cout << value;

\n这个程序能输出0吗？\n我阅读了关于C++内存模型的资料 - 特别是顺序一致性，我相信这是默认值，但并不特别清楚。编译器只需要按照正确的顺序将原子操作放置相对于彼此，还是需要将原子操作放置相对于所有其他操作的正确顺序？

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原因：原子操作的重新排序是由于编译器和处理器的优化导致的。编译器和处理器会对原子操作进行优化，以提高性能和执行效率。然而，这种优化可能会导致原子操作的顺序发生变化，从而引发问题。

解决方法：为了解决原子操作重新排序的问题，可以使用memory_order_seq_cst内存顺序。这种内存顺序会阻止编译器和处理器对原子操作进行重新排序。使用memory_order_seq_cst内存顺序可以确保原子操作的顺序与代码中的顺序一致，从而避免由于重新排序而引发的问题。

下面是一个示例代码，演示了如何使用memory_order_seq_cst内存顺序来避免原子操作重新排序的问题：

#include 
std::atomic x;
std::atomic y;
void thread1()
{
    x.store(1, std::memory_order_seq_cst);
    int value = y.load(std::memory_order_seq_cst);
    // 使用x和y的值进行计算
}
void thread2()
{
    y.store(1, std::memory_order_seq_cst);
    int value = x.load(std::memory_order_seq_cst);
    // 使用x和y的值进行计算
}

在上面的代码中，使用了std::memory_order_seq_cst内存顺序来确保x和y的存储和加载操作按照代码中的顺序执行。这样可以避免原子操作的重新排序问题，从而确保计算的正确性。

原子操作的重新排序是由于编译器和处理器的优化导致的。为了避免由于重新排序而引发的问题，可以使用std::memory_order_seq_cst内存顺序来确保原子操作的顺序与代码中的顺序一致。这样可以保证计算的正确性。

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在C++中重新排序原子操作的问题可能会导致程序无法输出0。在ISO C++中，seq_cst和acq_rel原子操作可以在线程之间创建happens-before / after关系，使得一个线程可以安全地写入一个非原子变量，然后另一个线程可以在没有数据竞争UB的情况下读取它。

在这种情况下，你的推理是正确的：自旋等待循环是从标志位进行seq-cst加载的，只有在看到true值时才退出循环。非原子value的评估发生在看到true的加载之后。在写入器中，顺序释放存储确保在值存储之前不会看到标志位存储。

当编译为普通ISA的汇编代码时，编译器必须尊重非原子存储在释放存储之前的顺序，以及在获取加载之后的非原子加载的顺序。除非它能够以某种方式证明对于任何其他可能观察到这一点的线程仍然会出现UB。

解决这个问题的方法是使用原子操作来确保正确的顺序。可以将非原子变量value改为原子类型，并使用原子操作来进行加载和存储。这样可以确保在读取和写入value之前和之后的顺序是正确的，从而避免了重新排序问题。

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在C++中，默认情况下，对原子变量的操作是使用memory_order_seq_cst语义进行的，这保证了不会进行重排序。

因此，行：value = 1不能被重排序到原子赋值value = 1的下面，所以行std::cout << value;将始终打印1。

按照相同的规则，行：std::cout << value;不能被重排序到行：while (!ready);的上面。

出现这个问题的原因是默认情况下，对原子变量的操作是使用memory_order_seq_cst语义进行的，这种语义保证了操作的顺序不会被重排序。这种保证可以确保多线程环境下的正确性和一致性。然而，有时候我们可能希望对原子操作进行重排序，以提高性能或满足特定的需求。

解决这个问题的方法是使用不同的内存顺序语义来指定原子操作的重排序规则。C++提供了多种memory_order选项，包括memory_order_relaxed、memory_order_acquire、memory_order_release等。通过选择适当的内存顺序选项，我们可以控制原子操作的重排序行为，以满足我们的需求。

例如，如果我们希望value = 1可以被重排序到原子赋值value = 1的下面，我们可以使用memory_order_relaxed选项来进行操作：

value.store(1, std::memory_order_relaxed);

这样，value = 1就可以在std::cout << value;之前被重排序。

同样地，如果我们希望std::cout << value;可以被重排序到while (!ready);的上面，我们可以使用memory_order_relaxed选项来进行操作：

std::cout << value.load(std::memory_order_relaxed);

这样，std::cout << value;就可以在while (!ready);之前被重排序。

通过选择适当的内存顺序选项，我们可以灵活地控制原子操作的重排序行为，从而满足不同的需求和优化性能。

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