为什么 memory_order_relaxed 在 x86 上使用原子（锁定前缀）指令？

Question

在 Visual C++ 2013 上，当我编译以下代码时

#include <atomic>

int main()
{
    std::atomic<int> v(2);
    return v.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed);
}

我在 x86 上返回以下程序集：

51               push        ecx  
B8 02 00 00 00   mov         eax,2 
8D 0C 24         lea         ecx,[esp] 
87 01            xchg        eax,dword ptr [ecx] 
B8 01 00 00 00   mov         eax,1 
F0 0F C1 01      lock xadd   dword ptr [ecx],eax 
59               pop         ecx  
C3               ret              

在 x64 上也是如此：

B8 02 00 00 00    mov         eax,2 
87 44 24 08       xchg        eax,dword ptr [rsp+8] 
B8 01 00 00 00    mov         eax,1 
F0 0F C1 44 24 08 lock xadd   dword ptr [rsp+8],eax 
C3                ret              

我只是不明白：为什么int 变量的宽松增量需要lock 前缀？

这是有原因的，还是他们根本没有包括删除它的优化？

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^{* 我使用/O2 和/NoDefaultLib 来修剪它并删除不必要的C 运行时代码，但这与问题无关。}

Answer 1

因为仍然需要锁才能使其成为原子；即使使用memory_order_relaxed，增量/减量的要求也太严格而无法无锁。

想象一下没有锁的情况。

v = 0;

然后我们生成 100 个线程，每个线程都使用以下命令：

v++;

然后你等待所有线程完成，你希望 v 是什么？不幸的是，它可能不是 100。假设值 v=23 由一个线程加载，在创建 24 之前，另一个线程也加载 23，然后也写出 24。所以线程实际上相互否定。这是因为增量本身不是原子的。当然，加载、存储、添加本身可能是原子的，但递增是多个步骤，所以它不是原子的。

但是对于 std::atomic，所有操作都是原子的，无论 std::memory_order 设置如何。唯一的问题是它们将按什么顺序发生。memory_order_relaxed 仍然保证原子性，但它可能与它附近发生的任何其他事情无关，即使在相同的值上运行。

Answer 2

原子操作，即使是宽松的顺序，仍然必须是原子的。

即使当前 CPU 上的某些操作 是原子的，没有 lock 前缀（提示：由于多核缓存，它们不是原子操作），这对于未来的 CPU 也不能保证。

仅仅因为你想优化你的二进制文件中的一个字节，依赖于一个不属于汇编规范的特性（因此不能保证保留在未来的 x86_64 架构中）

当然，在这种情况下，多核系统很普遍，因此您实际上需要一个 lock 前缀才能使其在当前 CPU 上工作。见Can num++ be atomic for 'int num'?

Answer 3

首先，作为参考，考虑一个正常的分配。它在 Intel/64 上生成以下内容：

// v = 10;
000000014000E0D0  mov         eax,0Ah  
000000014000E0D5  xchg        eax,dword ptr [v (014001BCDCh)]  

然后考虑一个轻松的任务：

// v.store(10, std::memory_order_relaxed);
000000014000E0D0  mov         dword ptr [v (014001BCDCh)],0Ah 

现在，std::atomic::fetch_add() 是一个读取-修改-写入操作，以“肮脏”的方式执行此操作几乎没有意义。默认情况下，您将按照http://en.cppreference.com/w/cpp/atomic/atomic/fetch_add 获得std::memory_order_seq_cst。所以，我认为，为此生成一条本机指令是有意义的。至少在便宜的 Intel/64 上：

// v.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed)
000000014000E0D0  mov         eax,1  
000000014000E0D5  lock xadd   dword ptr [v (014001BCDCh)],eax  

毕竟，您可以通过显式编写编译器必须遵守的两个操作来实现您想要的：

// auto x = v.load(std::memory_order_relaxed);
000000014000E0D0  mov         eax,dword ptr [v (014001BCDCh)]  

// ++x;
000000014000E0D6  inc         eax  

//v.store(x, std::memory_order_relaxed);
000000014000E0D8  mov         dword ptr [v (014001BCDCh)],eax