C++内存模型（Memory Model）的Acquire-Release语义：多线程同步与可见性保证的底层实现 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

C++内存模型：Acquire-Release语义，多线程同步与可见性保证

大家好，今天我们来深入探讨C++内存模型中一个至关重要的概念：Acquire-Release语义。在多线程编程中，正确地处理并发访问共享数据是至关重要的。Acquire-Release语义提供了一种机制，确保线程之间的同步和数据可见性，从而避免数据竞争和未定义的行为。

1. 为什么需要内存模型？

在单线程程序中，代码的执行顺序与源代码的顺序几乎一致。编译器和CPU可能会进行一些优化，但这些优化不会改变程序最终的执行结果。然而，在多线程环境中，情况变得复杂起来。多个线程并发执行，它们可能在不同的CPU核心上运行，每个核心拥有自己的缓存。编译器和CPU的优化可能会导致线程看到的内存顺序与源代码的顺序不同，从而引发数据竞争。

考虑以下简单的例子：

#include <iostream>
#include <thread>

int data = 0;
bool ready = false;

void writer_thread() {
  data = 42;
  ready = true;
}

void reader_thread() {
  while (!ready) {
    // spin lock，忙等待
  }
  std::cout << "Data: " << data << std::endl;
}

int main() {
  std::thread t1(writer_thread);
  std::thread t2(reader_thread);

  t1.join();
  t2.join();

  return 0;
}

直观上，我们期望writer_thread首先将data设置为42，然后将ready设置为true。reader_thread会等待ready变为true，然后读取data的值并打印。但是，由于编译器和CPU的优化，实际运行结果可能出乎意料。例如，reader_thread可能在data被赋值之前就读取了ready的值并打印了data，得到错误的结果（例如0）。

为了解决这些问题，C++11引入了内存模型，它定义了线程之间内存访问的顺序规则。内存模型允许编译器和CPU在满足这些规则的前提下进行优化，从而在保证程序正确性的同时提高性能。

2. C++内存模型基础：原子操作和内存顺序

C++内存模型的核心是原子操作和内存顺序。

原子操作是指不可分割的操作。当一个线程对一个原子变量执行操作时，其他线程要么看到操作前的状态，要么看到操作后的状态，不会看到中间状态。C++标准库提供了<atomic>头文件，其中定义了std::atomic模板类，用于创建原子变量。

内存顺序定义了原子操作对内存的影响。它指定了在多线程环境下，一个线程对某个内存位置的写入操作对其他线程的可见性。C++提供了六种内存顺序：

内存顺序	描述
`std::memory_order_relaxed`	最宽松的内存顺序。只保证操作的原子性，不保证线程之间的同步或可见性。多个线程可以以不同的顺序看到对同一个变量的修改。
`std::memory_order_consume`	用于数据依赖的同步。如果线程A写入变量x，然后线程B读取变量x（使用`consume`顺序），并且B的后续操作依赖于x的值，那么A的写入操作在B的依赖操作之前发生。很少使用。
`std::memory_order_acquire`	获取语义。当线程读取一个变量（使用`acquire`顺序）时，它保证在该读取操作之后的所有读写操作都发生在其他线程释放（`release`）该变量之前的操作之后。通常用于保护临界区。
`std::memory_order_release`	释放语义。当线程写入一个变量（使用`release`顺序）时，它保证在该写入操作之前的所有读写操作都发生在其他线程获取（`acquire`）该变量之后的操作之前。通常用于释放临界区。
`std::memory_order_acq_rel`	同时具有获取和释放语义。通常用于读-修改-写（read-modify-write）操作，例如原子加法。
`std::memory_order_seq_cst`	最强的内存顺序。保证所有原子操作都以全局一致的顺序发生。如果没有明确指定内存顺序，默认使用`seq_cst`。由于其开销较大，应尽量避免使用。

3. Acquire-Release语义详解

Acquire-Release语义是C++内存模型中最常用的同步机制之一。它提供了一种简单而有效的机制，用于保护临界区和保证数据可见性。

Acquire操作：

当一个线程对原子变量执行acquire操作时，它会“获取”该变量的控制权。
acquire操作会阻止后续的读写操作被重新排序到acquire操作之前。
如果另一个线程之前对同一个原子变量执行了release操作，那么acquire操作保证可以看到release操作之前的所有写操作的结果。

Release操作：

当一个线程对原子变量执行release操作时，它会“释放”该变量的控制权。
release操作会阻止之前的读写操作被重新排序到release操作之后。
release操作保证其之前的所有写操作对其他线程可见，前提是其他线程后续对同一个原子变量执行了acquire操作。

Acquire-Release同步：

Acquire-Release语义的核心在于，如果线程A释放（release）了一个原子变量，而线程B获取（acquire）了同一个原子变量，那么线程A在释放操作之前的所有写操作，对线程B在获取操作之后的所有读操作都是可见的。

可以用以下表格总结：

线程A (Release)	线程B (Acquire)	可见性保证
执行 Release 操作之前的所有写操作	执行 Acquire 操作之后的所有读操作	线程 B 保证能看到线程 A 在 Release 操作之前对共享内存所做的所有修改。这包括不仅仅是原子变量本身，而是所有线程 A 访问过的内存。换句话说，acquire 操作建立了一个“happens-before”关系，确保了线程 A 的操作在逻辑上先于线程 B 的操作。

4. 使用Acquire-Release语义实现互斥锁

Acquire-Release语义可以用来实现互斥锁，以保护临界区。以下是一个简单的互斥锁的实现：

#include <atomic>
#include <thread>
#include <iostream>

class Mutex {
public:
  void lock() {
    while (flag.test_and_set(std::memory_order_acquire)); // Acquire lock
  }

  void unlock() {
    flag.clear(std::memory_order_release); // Release lock
  }

private:
  std::atomic_flag flag = ATOMIC_FLAG_INIT;
};

Mutex mutex;
int shared_data = 0;

void increment() {
  for (int i = 0; i < 100000; ++i) {
    mutex.lock();
    shared_data++;
    mutex.unlock();
  }
}

int main() {
  std::thread t1(increment);
  std::thread t2(increment);

  t1.join();
  t2.join();

  std::cout << "Shared data: " << shared_data << std::endl; // 期望输出：200000
  return 0;
}

在这个例子中，Mutex类使用std::atomic_flag来实现互斥锁。lock()方法使用test_and_set原子操作并指定acquire内存顺序来获取锁。unlock()方法使用clear原子操作并指定release内存顺序来释放锁。

当一个线程调用lock()方法时，它会循环尝试设置flag。如果flag已经被其他线程设置，则test_and_set返回true，线程会继续循环等待。当flag未被设置时，test_and_set将其设置为true并返回false，线程成功获取锁。acquire内存顺序保证了在获取锁之后，线程可以看到其他线程在释放锁之前的所有写操作的结果。

当一个线程调用unlock()方法时，它会将flag清除为false。release内存顺序保证了在释放锁之前，线程的所有写操作对其他线程可见。

5. 使用Acquire-Release语义实现生产者-消费者模型

Acquire-Release语义也可以用于实现生产者-消费者模型。以下是一个简单的生产者-消费者模型的实现：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <queue>
#include <atomic>
#include <condition_variable>

const int BUFFER_SIZE = 10;
std::queue<int> buffer;
std::atomic<int> count(0);
std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;

void producer() {
  for (int i = 0; i < 20; ++i) {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
    cv.wait(lock, []{ return buffer.size() < BUFFER_SIZE; });

    buffer.push(i);
    count.store(i, std::memory_order_release); // Release data

    std::cout << "Produced: " << i << std::endl;
    lock.unlock();
    cv.notify_one();
  }
}

void consumer() {
  for (int i = 0; i < 20; ++i) {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
    cv.wait(lock, []{ return !buffer.empty(); });

    int data = buffer.front();
    buffer.pop();
    int read_count = count.load(std::memory_order_acquire); // Acquire data

    std::cout << "Consumed: " << data << ", Count: " << read_count << std::endl;
    lock.unlock();
    cv.notify_one();
  }
}

int main() {
  std::thread producer_thread(producer);
  std::thread consumer_thread(consumer);

  producer_thread.join();
  consumer_thread.join();

  return 0;
}

在这个例子中，producer线程将数据放入缓冲区，并使用release内存顺序存储count的值。consumer线程从缓冲区读取数据，并使用acquire内存顺序加载count的值。release操作保证了在生产者将数据放入缓冲区之后，消费者可以看到该数据。acquire操作保证了在消费者读取数据之前，生产者已经完成了对数据的写入。std::mutex 和 std::condition_variable 用于线程间的同步和通知，防止缓冲区溢出和空读。

6. Acquire-Release与其他内存顺序的比较

Relaxed: relaxed 操作只保证原子性，不提供任何同步或可见性保证。适用于不需要线程间同步的场景，例如简单的计数器。
Acquire/Release: 提供基本的同步和可见性保证，适用于保护临界区和实现生产者-消费者模型。
Seq_cst: 提供最强的内存顺序保证，但开销也最大。适用于需要全局一致顺序的场景，例如分布式系统中的共识算法。

选择合适的内存顺序非常重要。使用过强的内存顺序会降低性能，而使用过弱的内存顺序可能会导致数据竞争和未定义的行为。在大多数情况下，Acquire-Release语义是保护共享数据的最佳选择。

7. Acquire-Release语义的底层实现

Acquire-Release语义的底层实现依赖于CPU的内存屏障指令。内存屏障指令会强制CPU按照特定的顺序执行内存访问操作。

Acquire操作通常会转换为Load Acquire屏障。 Load Acquire 屏障确保在 acquire 操作之后的任何 Load 和 Store 操作，都不会被重排到 acquire 操作之前。这保证了 acquire 操作之后，线程能够看到其他线程在 release 操作之前所做的所有修改。
Release操作通常会转换为Store Release屏障。 Store Release 屏障确保在 release 操作之前的任何 Load 和 Store 操作，都不会被重排到 release 操作之后。这保证了 release 操作之前，线程所做的所有修改，对其他线程都是可见的。

不同的CPU架构提供不同的内存屏障指令。例如，x86架构提供了mfence指令，ARM架构提供了dmb指令。编译器会根据目标CPU架构选择合适的内存屏障指令来实现Acquire-Release语义。

8. 一些需要注意的点

配对使用: Acquire 和 Release 必须配对使用，才能保证正确的同步。
原子变量: Acquire-Release 语义只能应用于原子变量。
传递性: Acquire-Release 语义不具有传递性。如果线程A释放了变量x，线程B获取了变量x，线程B又释放了变量y，线程C获取了变量y，那么线程A的写操作不一定对线程C可见。
编译器优化: 编译器可能会对代码进行优化，例如将多个acquire操作合并为一个，或者将多个release操作合并为一个。这些优化不会改变程序的语义，但可能会影响性能。
数据竞争: 即使使用了Acquire-Release语义，仍然可能存在数据竞争。例如，如果多个线程同时对同一个变量执行写操作，即使使用了Acquire-Release语义，仍然可能导致数据竞争。

9. 总结陈述

Acquire-Release语义是C++内存模型中重要的同步机制，它通过原子操作和内存顺序保证了线程间的同步和数据可见性。理解并正确使用Acquire-Release语义是编写正确、高效的多线程程序的关键。合理选择内存顺序，并注意配对使用Acquire和Release操作，能够避免数据竞争，确保程序在多线程环境下的可靠性。

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