内存栅栏：获取/加载和释放/存储

Question

我对@9​​87654321@和std::memory_order_release的理解如下：

Acquire 表示在获取围栏之后出现的任何内存访问都不能重新排序到围栏之前。

Release 表示在释放栅栏之前出现的任何内存访问都不能重新排序到栅栏之后。

我不明白为什么特别是对于 C++11 原子库，获取栅栏与加载操作相关联，而释放栅栏与存储操作相关联。

澄清一下，C++11 <atomic> 库允许您以两种方式指定内存栅栏：您可以将栅栏指定为原子操作的额外参数，例如：

x.load(std::memory_order_acquire);

或者您可以使用std::memory_order_relaxed 并单独指定围栏，例如：

x.load(std::memory_order_relaxed);
std::atomic_thread_fence(std::memory_order_acquire);

我不明白的是，鉴于上述acquire和release的定义，为什么C++11专门将acquire与load联系起来，与商店一起发布？是的，我已经看到了许多示例，这些示例展示了如何使用获取/加载和释放/存储来在线程之间同步，但总的来说，获取围栏（防止语句后内存重新排序）和释放的想法似乎是栅栏（在语句之前防止内存重新排序）与加载和存储的想法是正交的。

那么，例如，为什么编译器不让我说：

x.store(10, std::memory_order_acquire);

我意识到我可以通过使用memory_order_relaxed，然后使用单独的atomic_thread_fence(memory_order_acquire) 语句来完成上述操作，但是，为什么我不能直接使用带有memory_order_acquire 的store？

如果我想确保某个存储（例如 x = 10）发生在其他可能影响其他线程的语句执行之前，可能会出现这种情况。

Answer 1

假设我写了一些数据，然后我写了一个数据现在准备好的指示。当务之急是没有其他线程看到数据准备就绪的指示，而不会看到数据本身的写入。所以之前的写入不能超过那个写入。

假设我读到一些数据已经准备好了。在看到数据已准备好的读取之后，我发布的任何读取都必须发生。所以后续读取不能落后于该读取。

因此，当您执行同步写入时，您通常需要确保您之前执行的所有写入对于看到同步写入的任何人都是可见的。当您执行同步读取时，通常必须在同步读取之后执行您之后执行的任何读取。

或者，换句话说，获取通常是您可以获取或访问资源的读取，并且后续读取和写入不得移动到它之前。发布通常是写你已经完成了资源，并且之前的写不能移到它之后。

Answer 2

std::memory_order_acquire栅栏只确保栅栏之后的所有加载操作不会在栅栏之前的任何加载操作之前重新排序，因此memory_order_acquire不能 em> 确保在执行加载后存储对其他线程可见。这就是为什么memory_order_acquire不支持store操作的原因，你可能需要memory_order_seq_cst来实现store的获取。

你也可以说

x.store(10, std::memory_order_releaxed);
x.load(std::memory_order_acquire);  // this introduce a data dependency

以确保所有负载在存储之前不会重新排序。同样，栅栏在这里不起作用。

此外，原子操作中的内存顺序可能比内存栅栏便宜，因为它只确保相对于原子指令的顺序，而不是栅栏前后的所有指令。

有关详细信息，另请参阅formal description 和 explanation。

Answer 3

（部分答案纠正了问题前半部分的错误。David Schwartz's answer 已经很好地涵盖了您要问的主要问题。Jeff Preshing 的 article on acquire / release 也很适合阅读其他内容。）

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您为获取/释放提供的定义对于栅栏是错误的；它们仅适用于获取操作和释放操作，例如x.store(mo_release)，而不是std::atomic_thread_fence(mo_release)。

• Acquire 意味着在获取栅栏之后出现的任何内存访问都不能重新排序到栅栏之前。 [错误，获取操作是正确的]

• 释放意味着在释放栅栏之前出现的任何内存访问都不能重新排序到栅栏之后。 [错误，对于发布操作是正确的]

它们对于栅栏来说是不够的，这就是为什么 ISO C++ 对获取栅栏（阻止 LoadStore / LoadLoad 重新排序）和释放栅栏（LoadStore / StoreStore）有更强的排序规则。

当然，ISO C++ 没有定义“重新排序”，这意味着您正在访问一些全局连贯状态。改为 ISO C++

Jeff Preshing 的文章与此处相关：

• Acquire and Release Semantics（获取/释放操作，例如加载、存储和RMW）
• Acquire and Release Fences Don't Work the Way You'd Expect 解释了为什么这些单向障碍定义不正确且不足以用于栅栏，这与操作不同。 （因为它会让栅栏一直重新排序到程序的一端，并使所有操作彼此无序，因为它与操作本身无关。）

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如果我想确保某个存储（例如 x = 10）发生在可能影响其他线程的其他语句执行之前，可能会出现这种情况。

如果“其他语句”是来自原子共享变量的加载，您实际上需要std::memory_order_seq_cst 以避免 StoreLoad 重新排序。 acquire / release / acq_rel 不会阻止它。

如果您的意思是确保原子存储在其他原子存储之前可见，通常的方法是使 2nd 原子存储使用mo_release。

如果第二个存储不是原子的，那么任何读取器都不太可能安全地与任何东西同步，以在没有数据竞争 UB 的情况下观察值。

（虽然您在破解使用普通非atomic 对象作为有效负载的 SeqLock 时确实遇到了发布fence的用例，以允许编译器进行优化。但那是一种特定于实现的行为，取决于了解 std::atomic 内容如何为真实 CPU 编译。例如，请参阅 Implementing 64 bit atomic counter with 32 bit atomics。）