【问题标题】:std::memory_order_relaxed atomicity with respect to the same atomic variablestd::memory_order_relaxed 相对于同一原子变量的原子性
【发布时间】:2018-01-06 03:38:16
【问题描述】:

关于内存订单的 cppreference 文档说

宽松内存排序的典型用途是递增计数器,例如 std::shared_ptr 的引用计数器,因为这只需要原子性,而不需要排序或同步(请注意,递减 shared_ptr 计数器需要获取-释放同步使用析构函数)

这是否意味着宽松的内存排序实际上不会导致同一变量的原子性?而是仅仅导致相对于其他宽松的内存负载和/或compare_exchanges 的最终一致性?使用std::memory_order_seq_cst 是与std::memory_order_relaxed 配对时看到一致结果的唯一方法?

我假设std::memory_order_relaxed 对于同一个变量仍然是原子的,但不提供关于其他数据的加载和存储的任何其他约束。

【问题讨论】:

  • std::memory_order_relaxed 保证原子性,但没有排序或同步。所以它适用于统计计数​​器之类的东西,但如果计数是涉及其他内存位置的不变量的一部分,则使用起来会很棘手。
  • @ArchD.Robison 但是为什么 cppreference 会说需要获取释放?
  • 因为内存需要处于同步状态才能被删除。要解释为什么增量可以是relaxed 而减量使用acq/rel 并不是微不足道的
  • @LWimsey 你的意思是,如果使用宽松的内存模型,可以对引用计数状态进行读取或写入(如果小心的话),并且在析构函数中的删除操作之后可能会被排序,而没有更强的内存排序?这是有道理的..那么为什么不使用consume-release呢?由于delete 是获取值的依赖项
  • @LWimsey "解释为什么增量可以放宽,而减量使用 acq/rel 并不是一件小事" 简单地说,当 RC 达到高点时,不会发生任何重要的事情(并且无论如何都没有最大值)并且当它达到低点时会发生一些非常重要的事情(根据定义,RC > 0)。所以增加和减少操作本质上是不同的。

标签: c++ multithreading atomic memory-barriers stdatomic


【解决方案1】:

您问了一些问题,但我将重点关注典型 shared_ptr 实现使用的排序约束,因为我认为这涵盖了您问题的关键部分。

原子操作对于它所应用的变量(或 POD)而言是始终原子的;对单个变量的修改以一致的顺序对所有线程可见。
您的问题中描述了轻松的原子操作的工作方式:

std::memory_order_relaxed 对于同一个变量仍然是原子的,但不提供关于其他数据的加载和存储的任何其他约束

以下是 2 个典型场景,其中可以省略原子操作的排序约束(即通过使用 std::memory_order_relaxed):

  1. 内存排序不是必需的,因为它不依赖于其他操作,或者正如评论者所说,(..) 不是涉及其他内存位置的不变量的一部分。

    一个常见的例子是原子计数器,它由多个线程递增以跟踪特定事件发生的次数。 如果计数器表示的值不依赖于其他操作,则可以放宽递增操作 (fetch_add)。
    我发现 cppreference 给出的例子不是很有说服力,因为 shared_ptr 引用计数 does 有依赖关系;即一旦它的值变为零,内存就会被删除。 一个更好的例子是 Web 服务器跟踪传入请求的数量,仅用于报告目的。

  2. 内存排序是必要的,但没有需要使用排序约束,因为所需的同步已经通过 (IMO 这更好地解释了为什么 shared_ptr 的引用计数增量可以放宽,请参见下面的示例)。
    shared_ptr 复制/移动构造函数只能在它具有(引用)复制/移动实例的同步视图时调用(否则它将是未定义的行为) 因此,无需额外订购。

以下示例说明了shared_ptr 实现通常如何使用内存排序来修改其引用计数。假设所有线程并行运行 之后 sp_main 已被释放(shared_ptr 引用计数为 10)。

int main()
{
    std::vector<std::thread> v;
    auto sp_main = std::make_shared<int>(0);

    for (int i = 1; i <= 10; ++i)
    {
        // sp_main is passed by value
        v.push_back(thread{thread_func, sp_main, i});
    }

    sp_main.reset();

    for (auto &t : v)  t.join();
}

void thread_func(std::shared_ptr<int> sp, int n)
{
    // 10 threads are created

    if (n == 7)
    {
        // Only thread #7 modifies the integer
        *sp = 42;
    }

    // The only thead with a synchronized view of the managed integer is #7
    // All other threads cannot read/write access the integer without causing a race

    // 'sp' going out of scope -> destructor called
}

线程创建保证make_shared(在main)和sp的复制/移动构造函数(在每个线程内)之间的(线程间)发生前关系。 因此,shared_ptr 的构造函数具有内存的同步视图,并且可以安全地递增 ref_count 而无需额外排序:

ctrlblk->ref_count.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed);

对于销毁部分,由于只有线程#7写入共享整数,所以其他9个线程不允许访问相同的内存位置而不会引起竞争。 这会产生一个问题,因为所有线程几乎在同一时间被破坏(假设main 中的reset 之前已被调用) 并且只有一个线程会删除共享整数(将 ref_count 从 1 递减到 0)。
最后一个线程在删除整数之前必须有一个同步的内存视图,但由于 10 个线程中有 9 个没有同步视图,因此需要额外的排序。

析构函数可能包含如下内容:

if (ctrlblk->ref_count.fetch_sub(1, std::memory_order_acq_rel) == 1)
{
    // delete managed memory
}

原子ref_count 有一个单一的修改顺序,因此所有原子修改都以某种顺序发生。 假设在 ref_count 上执行最后 3 次递减的线程(在此示例中)是线程 #7 (3 → 2)、#5 (2 → 1) 和 #3 (1 → 0)。 线程#7#5 执行的两个递减在修改顺序中都比#3 执行的递减更早。
发布顺序变为:

#7(商店发布)→#5(读取-修改-写入,无需订购)→#3(加载获取)

最终结果是线程#7执行的释放操作已经与#3执行的获取操作同步,并且整数修改(#7)保证有 发生在整数销毁之前(#3)。

从技术上讲,只有访问托管内存位置的线程必须执行释放操作,但由于库实现者不知道线程操作, 所有线程在销毁时执行释放操作。

对于共享内存的最终销毁,技术上只有最后一个线程需要执行获取操作,因此shared_ptr 库实现者可以通过设置独立围栏进行优化 仅由最后一个线程调用。

if (ctrlblk->ref_count.fetch_sub(1, std::memory_order_release) == 1)
{
    std::atomic_thread_fence(std::memory_order_acquire);

    // delete managed memory
}

【讨论】:

  • 我不明白为什么std::memory_order_relaxed 不能用于递减引用计数器,因为对于引用计数器的原子更改,没有其他不能重新排序的加载/存储。跨度>
  • @MaximEgorushkin 对共享整数(示例中为 42)的存储必须由修改线程(#7)释放并由最后一个线程(#3)获取。如果没有这种排序,删除共享内存位置会构成数据竞争。
  • 因为 shared_ptr 引用计数确实有依赖关系”但是在 MT 程序中读取引用计数被认为是不可靠的。你不应该需要use_count()&gt;X;引用计数的唯一相关事件是当它下降为零时。
  • "唯一具有托管整数同步视图的 thead[sic] 是 #7" 您的程序完全合法,必须得到 std::shared_ptr 的支持,因此在技术上一个证明你观点的有效例子; OTOH,这是一个非常愚蠢的设计:除了一个之外,所有线程都收到一个对象,除了安全地销毁它之外,它们无法做任何事情。非常适合语言律师领域,不适合学习课程。
  • @MaximEgorushkin 发布的代码 100% 合法,但非常不切实际。实际上,由不同线程共享且没有内部同步的对象将用作只读对象。所有线程都将读取对象,当它们完成时,它们会递减计数器。这需要按顺序发生; OTOH 计数器的递增不需要立即发生,它是弱排序的(它只需要在递减之前发生)。
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