好的，没问题。让我们开始吧！
各位好，欢迎来到今天的“C++指令重排与内存模型：编译器和CPU的优化对并发的影响”讲座。今天咱们要聊聊C++里那些“暗箱操作”——指令重排和内存模型，它们就像隐藏在代码背后的影子，悄无声息地影响着并发程序的行为。
一、 什么是指令重排？
想象一下，你写了一段代码，就像给厨房下了一道菜谱，但是厨师（编译器和CPU）可不一定完全按照你的菜谱来做。他们可能会为了优化效率，调整一下做菜的顺序，这就是所谓的指令重排。
指令重排分为以下几种：
- 编译器优化重排： 编译器在不改变单线程程序语义的前提下，对指令进行重新排序，以提高程序的执行效率。
- CPU指令重排： CPU也可能为了提高执行效率，对指令进行乱序执行。
举个简单的例子：
#include <iostream>
#include <thread>
int a = 0;
int b = 0;
int x = 0;
int y = 0;
void thread1() {
a = 1;
x = b;
}
void thread2() {
b = 1;
y = a;
}
int main() {
for (int i = 0; i < 100000; ++i) {
a = 0;
b = 0;
x = 0;
y = 0;
std::thread t1(thread1);
std::thread t2(thread2);
t1.join();
t2.join();
if (x == 0 && y == 0) {
std::cout << "x = " << x << ", y = " << y << std::endl;
break;
}
}
return 0;
}这段代码看起来很简单，两个线程分别给 a 和 b 赋值，然后读取对方的值赋给 x 和 y。按照直觉，x 和 y 不可能同时为 0。因为要么 thread1 先执行，a 先被赋值为 1，thread2 读到的 a 就是 1；要么 thread2 先执行，b 先被赋值为 1，thread1 读到的 b 就是 1。
但是，如果你运行这段代码，你会发现 x 和 y 偶尔会同时为 0！这就是指令重排在捣鬼。编译器或者 CPU 可能将 a = 1 和 x = b 的顺序颠倒，或者将 b = 1 和 y = a 的顺序颠倒。这样，就可能出现 x 和 y 同时读取到对方的初始值 0 的情况。
二、 C++内存模型：游戏规则的制定者
C++内存模型定义了多线程环境下，程序中各个变量的访问规则。它就像一套游戏规则，告诉编译器和 CPU 在进行指令重排时，哪些操作必须遵守，哪些操作可以自由发挥。
C++11引入了新的内存模型，它主要定义了以下几个概念：
- 原子操作（Atomic Operations）： 原子操作是不可分割的操作，要么全部执行，要么完全不执行。它们可以保证在多线程环境下，对共享变量的访问是安全的。
- 内存顺序（Memory Order）： 内存顺序指定了原子操作之间的同步关系。不同的内存顺序提供了不同的同步保证和性能开销。
常用的内存顺序包括：
| 内存顺序 | 含义 | 开销 |
|---|---|---|
std::memory_order_relaxed |
最宽松的内存顺序，只保证原子性，不提供任何同步保证。 | 最低 |
std::memory_order_acquire |
当一个线程读取一个原子变量时，使用 acquire 顺序可以保证在读取操作之后，所有发生在另一个线程的 release 操作之前的写入操作，对当前线程可见。 |
中等 |
std::memory_order_release |
当一个线程写入一个原子变量时，使用 release 顺序可以保证在写入操作之前，所有发生在当前线程的操作，对随后执行 acquire 操作的线程可见。 |
中等 |
std::memory_order_acq_rel |
同时具有 acquire 和 release 的特性。既可以保证读取操作之后的可见性，又可以保证写入操作之前的可见性。通常用于修改原子变量。 |
较高 |
std::memory_order_seq_cst |
最强的内存顺序，提供全局的顺序一致性。所有线程看到的原子操作的顺序都是相同的。默认的原子操作内存顺序就是 seq_cst。 |
最高 |
三、 如何避免指令重排带来的问题？
既然指令重排这么坑，那我们该如何避免它带来的问题呢？ 主要有以下几种方式：
-
使用原子操作和内存顺序： 使用原子操作可以保证对共享变量的访问是安全的。选择合适的内存顺序可以控制指令重排的行为，保证程序的正确性。
#include <iostream> #include <thread> #include <atomic> std::atomic<int> a{0}; std::atomic<int> b{0}; int x = 0; int y = 0; void thread1() { a.store(1, std::memory_order_release); x = b.load(std::memory_order_acquire); } void thread2() { b.store(1, std::memory_order_release); y = a.load(std::memory_order_acquire); } int main() { for (int i = 0; i < 100000; ++i) { a.store(0, std::memory_order_relaxed); b.store(0, std::memory_order_relaxed); x = 0; y = 0; std::thread t1(thread1); std::thread t2(thread2); t1.join(); t2.join(); if (x == 0 && y == 0) { std::cout << "x = " << x << ", y = " << y << std::endl; // 现在不会再输出了，因为使用了atomic和memory order break; } } return 0; }在这个例子中，我们使用了
std::atomic来声明a和b，并使用了memory_order_release和memory_order_acquire来保证线程之间的同步。a.store(1, std::memory_order_release)保证了在a被赋值为 1 之前的所有操作都对其他线程可见。b.load(std::memory_order_acquire)保证了在读取b的值之后，所有发生在其他线程的release操作之前的写入操作都对当前线程可见。 这样，就可以避免x和y同时为 0 的情况。 -
使用互斥锁（Mutex）： 互斥锁可以保证在同一时刻，只有一个线程可以访问共享资源。互斥锁会隐式地包含内存屏障，防止指令重排。
#include <iostream> #include <thread> #include <mutex> int a = 0; int b = 0; int x = 0; int y = 0; std::mutex mtx; void thread1() { std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); a = 1; x = b; } void thread2() { std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); b = 1; y = a; } int main() { for (int i = 0; i < 100000; ++i) { a = 0; b = 0; x = 0; y = 0; std::thread t1(thread1); std::thread t2(thread2); t1.join(); t2.join(); if (x == 0 && y == 0) { std::cout << "x = " << x << ", y = " << y << std::endl; // 现在不会再输出了，因为使用了mutex break; } } return 0; }在这个例子中，我们使用
std::mutex来保护对a和b的访问。std::lock_guard会在构造时自动加锁，在析构时自动解锁，保证了对共享资源的互斥访问。 互斥锁的加锁和解锁操作都包含了内存屏障，可以防止指令重排。 -
使用条件变量（Condition Variable）： 条件变量通常与互斥锁一起使用，用于线程间的同步。条件变量的
wait和notify操作也包含了内存屏障。 -
避免数据竞争（Data Race）： 数据竞争是指多个线程同时访问同一个共享变量，并且至少有一个线程在进行写操作。数据竞争会导致未定义的行为，应该尽量避免。
四、 深入理解内存模型：以 std::memory_order_seq_cst 为例
std::memory_order_seq_cst 是最强的内存顺序，它提供了全局的顺序一致性。这意味着所有线程看到的原子操作的顺序都是相同的。
让我们通过一个例子来理解 seq_cst 的含义：
#include <iostream>
#include <thread>
#include <atomic>
std::atomic<bool> x{false};
std::atomic<bool> y{false};
std::atomic<int> z{0};
void write_x() {
x.store(true, std::memory_order_seq_cst);
}
void write_y() {
y.store(true, std::memory_order_seq_cst);
}
void read_x_then_y() {
while (!x.load(std::memory_order_seq_cst));
if (y.load(std::memory_order_seq_cst)) {
z++;
}
}
void read_y_then_x() {
while (!y.load(std::memory_order_seq_cst));
if (x.load(std::memory_order_seq_cst)) {
z++;
}
}
int main() {
std::thread a(write_x);
std::thread b(write_y);
std::thread c(read_x_then_y);
std::thread d(read_y_then_x);
a.join();
b.join();
c.join();
d.join();
std::cout << "z = " << z << std::endl;
return 0;
}在这个例子中，我们有四个线程：
write_x线程将x设置为true。write_y线程将y设置为true。read_x_then_y线程等待x变为true，然后读取y的值，如果y为true，则将z加 1。read_y_then_x线程等待y变为true，然后读取x的值，如果x为true，则将z加 1。
由于我们使用了 std::memory_order_seq_cst，所以所有线程看到的原子操作的顺序都是相同的。这意味着，要么 x 先被设置为 true，然后 y 被设置为 true；要么 y 先被设置为 true，然后 x 被设置为 true。
- 如果
x先被设置为true，然后y被设置为true，那么read_x_then_y线程会先看到x变为true，然后读取y的值，此时y也为true，所以z会加 1。read_y_then_x线程会后看到y变为true，然后读取x的值，此时x也为true，所以z也会加 1。最终z的值为 2。 - 如果
y先被设置为true，然后x被设置为true，那么read_y_then_x线程会先看到y变为true，然后读取x的值，此时x也为true，所以z会加 1。read_x_then_y线程会后看到x变为true，然后读取y的值，此时y也为true，所以z也会加 1。最终z的值为 2。
因此，无论 x 和 y 的设置顺序如何，最终 z 的值都为 2。
五、 性能考量：选择合适的内存顺序
虽然 std::memory_order_seq_cst 提供了最强的同步保证，但是它的性能开销也是最高的。因为它需要保证所有线程看到的原子操作的顺序都是相同的，这需要进行大量的同步操作。
在实际开发中，我们应该根据具体的需求选择合适的内存顺序。如果不需要全局的顺序一致性，可以使用 std::memory_order_acquire 和 std::memory_order_release 来进行线程间的同步。它们的性能开销比 std::memory_order_seq_cst 低，但仍然可以保证程序的正确性。
如果只需要保证原子性，而不需要任何同步保证，可以使用 std::memory_order_relaxed。它的性能开销最低，但是需要非常小心地使用，因为它可能会导致数据竞争。
六、总结：指令重排和内存模型是并发编程的基石
指令重排和内存模型是并发编程中非常重要的概念。理解它们可以帮助我们编写出正确、高效的并发程序。
- 指令重排是编译器和 CPU 为了优化性能而进行的。
- C++内存模型定义了多线程环境下，程序中各个变量的访问规则。
- 使用原子操作和内存顺序可以避免指令重排带来的问题。
- 应该根据具体的需求选择合适的内存顺序，以平衡性能和正确性。
希望今天的讲座能帮助大家更好地理解 C++ 的指令重排和内存模型。记住，并发编程是一门艺术，需要不断地学习和实践才能掌握。 谢谢大家！