std::memory_order 多线程编程中的内存顺序

std::memory_order 是 C++11 引入的一个枚举，用于控制多线程编程中的内存顺序。它定义了在原子操作中对内存的可见性和排序的要求。它在 C++ 标准库的 <atomic> 头文件中，配合原子类型和操作（如 std::atomic 和 std::atomic_flag）使用，以确保不同线程之间的数据同步。

下面是 std::memory_order 的每个成员及其作用：

1. std::memory_order_relaxed

• 作用：执行无序原子操作，不提供顺序一致性保证。不同线程之间的操作可以乱序，适用于对性能要求高且数据同步要求低的场景。
• 特点：只保证当前原子变量的操作是原子的，但不保证该操作与其他内存操作的相对顺序。
• 适用场景：计数器、统计等无需严格同步的数据结构。

2. std::memory_order_consume

• 作用：确保当前线程中对原子变量的操作和之后的读操作有顺序关系，但不保证写操作的顺序。
• 特点：在某些特定平台上能比 memory_order_acquire 更高效（例如 ARM），但支持较差，通常会被编译器提升为 memory_order_acquire。
• 适用场景：不常用，通常用 memory_order_acquire 替代。

3. std::memory_order_acquire

• 作用：获取同步，确保在该线程中，所有在此原子操作之前的内存写入对后续的读操作可见。
• 特点：防止在获取操作后发生的读写操作被重排序到获取操作之前。
• 适用场景：适合读操作，例如在读取一个共享变量时，需要确保读取的内容是最新的。

4. std::memory_order_release

• 作用：释放同步，确保在该线程中，所有在此原子操作之前的内存写入对其他线程可见。
• 特点：防止在释放操作之前的写入操作被重排序到释放操作之后。
• 适用场景：适合写操作，通常在向其他线程发布信息或更新状态时使用。

5. std::memory_order_acq_rel

• 作用：同时包含获取和释放语义，用于读写操作，确保此线程之前的所有写操作可见，之后的所有读操作会看到更新。
• 特点：读写操作均同步，防止操作的重排序。
• 适用场景：适合同时包含读取和写入的操作，常用于读-修改-写的操作中。

6. std::memory_order_seq_cst（Sequentially Consistent）

• 作用：顺序一致性，最强的内存顺序保证，确保所有的原子操作在全局顺序上是唯一的。
• 特点：确保线程间的操作严格按顺序发生，所有线程都看到一致的内存修改顺序。
• 适用场景：适合对内存顺序要求严格的场景，但性能可能较低。标准库中的原子操作默认使用此顺序。

总结

示例

以下是一个简单例子，展示如何使用 memory_order_release 和 memory_order_acquire 来实现同步：

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

std::atomic<bool> ready(false);
std::atomic<int> data(0);

void producer() {
    data.store(42, std::memory_order_relaxed);  // 写入数据
    ready.store(true, std::memory_order_release);  // 发布信息
}

void consumer() {
    while (!ready.load(std::memory_order_acquire)) {  // 等待信息发布
        // busy-wait
    }
    std::cout << "Data: " << data.load(std::memory_order_relaxed) << std::endl;  // 读取数据
}

int main() {
    std::thread t1(producer);
    std::thread t2(consumer);

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

    return 0;
}

在此代码中：

• producer 线程先写入数据，然后发布 ready 状态，使用 memory_order_release 确保 data 的写入在 ready 状态更新之前完成。
• consumer 线程使用 memory_order_acquire 加载 ready，以确保读取到 true 状态时，data 中的值已经更新。