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学习标准库atomic_base.h中typedef enum memory_order

news 来源：原创 2025/5/3 5:36:19

1、背景

在多线程编程中，特别是在使用原子操作时，内存顺序（Memory Order）是一个关键的概念。在C++11及其之后的标准中，memory_order 枚举类型（typedef enum memory_order）用于控制原子操作的内存同步行为。

2、内存顺序简介

在多核处理器或多线程环境下，操作系统与硬件会对内存访问进行优化，以提高性能。这种优化有时会导致内存访问的顺序与程序代码中的顺序不一致。为了确保程序中的线程能够以某种可预测的顺序访问共享内存，我们需要通过内存顺序来控制原子操作的顺序和同步。内存顺序主要用于控制原子操作（如 atomic_load、atomic_store、atomic_exchange 等）对内存访问的影响

3、memory_order 枚举类型介绍

在 C++ 标准库中，memory_order 被定义为一个枚举类型，用来指定原子操作的内存顺序。typedef enum memory_order 中的每个值表示一个不同的内存顺序选项。常见的内存顺序选项包括：

memory_order_relaxed，这种顺序表示没有同步要求，原子操作的顺序可以与其他线程的操作完全无关。它允许硬件或编译器对操作进行重排序，但保证操作本身的原子性。
memory_order_consume，这种顺序用于指定依赖关系的同步，确保一个操作的结果在被其他线程读取之前，前面的操作已经完成。然而，在 C++11 标准中，它通常被优化为 memory_order_acquire，并不常见。
memory_order_acquire，该顺序保证所有在该操作之后的读取操作都在该原子操作完成之后执行，保证“获取”前操作的顺序，使用它的原子操作不会被重排到前面读取操作的前面，确保该操作不会提前被执行，以保证前面指令的获取操作已经完成。
memory_order_release，该顺序保证在原子操作之前的所有写入操作都会被“释放”到内存，以确保操作顺序，使用它的原子操作不会被重排到前面操作写操作的前面，以保证前面指令的修改已经释放到了内存中。
memory_order_acq_rel，这是 memory_order_acquire 和 memory_order_release 的结合，表示该操作既有“获取”又有“释放”的语义。
memory_order_seq_cst，这种顺序是最严格的内存顺序，保证全局的顺序一致性。所有线程的原子操作将遵循一个统一的顺序，并且每个线程的操作会按顺序执行。它是默认的内存顺序，提供了最大程度的同步保证。

4、应用场景

memory_order_relaxed
当不关心线程之间的同步顺序时，使用 memory_order_relaxed 可以提高性能。它允许编译器和硬件对操作进行重排序，因此可能会影响操作的执行顺序。使用这个顺序的最常用场景包括：
计数器更新：当多个线程并发增加计数器时，如果不需要强同步，memory_order_relaxed 可以显著减少不必要的同步开销。

std::atomic<int> counter(0);void increment() {counter.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed);
}

memory_order_acquire 和 memory_order_release
这些内存顺序用于控制读写操作的顺序。例如，假设线程 A 在执行一个原子写入操作后，线程 B 会读取这个值并依赖于线程 A 的结果。在这种情况下，我们使用 memory_order_release 来确保线程 A 的写操作在 atomic_store 之前完成，并使用 memory_order_acquire 来确保线程 B 在读取时能够看到线程 A 的更新。

std::atomic<bool> ready(false);
std::atomic<int> data(0);// 线程A
void producer() {data.store(42, std::memory_order_relaxed);  // 写操作ready.store(true, std::memory_order_release);  // 设置标志
}// 线程B
void consumer() {while (!ready.load(std::memory_order_acquire)) {  // 获取标志// 等待}std::cout << data.load(std::memory_order_relaxed) << std::endl;  // 读取数据
}

在这个例子中，ready 的 store 使用了 memory_order_release，确保线程 A 写入 data 后，线程 B 才能看到更新。线程 B 通过 memory_order_acquire 来保证它在读取 data 前，已经看到线程 A 的修改。

memory_order_seq_cst
memory_order_seq_cst 是默认的内存顺序，它提供最强的同步保证，确保所有线程中的原子操作按照一个全序来执行。这意味着所有线程将看到一致的操作顺序。虽然它提供了最强的同步保证，但性能开销也相对较大。

5、内存顺序的性能影响

内存顺序的选择对程序的性能有重要影响。以下是一些指导原则：

性能优化：memory_order_relaxed 是性能最好的选择，因为它不要求任何同步，它适用于计数器、标志位等不需要严格同步的操作。
避免不必要的同步：使用 memory_order_acquire 和 memory_order_release 可以提供足够的同步性，同时避免 memory_order_seq_cst 带来的额外开销。
全局同步的必要性：如果你需要确保多个线程中的操作有一致的顺序，那么使用 memory_order_seq_cst 是必要的，但它可能导致性能下降。

1、背景

2、内存顺序简介

3、memory_order 枚举类型介绍

4、应用场景

5、内存顺序的性能影响

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