C++编程中的六种内存顺序模型

前言

程序员真是一个活到老学到老的职业，一天不学习就会掉队，『内存顺序模型』对于我来说就是一个新的世界，虽然之前写过多线程的服务器，也处理过死锁和竞态条件等问题，但是从来没考虑过内存顺序问题，所以当我第一次看到这个概念时，整个人都是懵的，经过一段时间的学习和了解有了初步的认识，所以简单总结下来，以备后续查看，不多写，慢慢总结。

为什么要设计内存顺序模型

内存顺序模型是为了解决多线程程序中的内存一致性和可见性问题而引入的。在多线程环境下，不同线程可能同时访问和修改共享的内存，这会引发一系列并发性问题，如竞态条件、数据竞争等。内存顺序模型的目的是通过定义不同操作之间的执行顺序和可见性规则，来保证多线程程序的正确性和可预测性。主要原因如下：

1. 多线程并发问题： 在多线程程序中，线程之间可能并发地读取和写入共享内存，导致数据不一致和不可预测的行为。

2. 编译器和处理器优化： 编译器和处理器可能会对代码进行优化，例如重排指令以提高性能。这些优化可能会导致操作的执行顺序与代码中的顺序不一致，从而引发问题。

3. 硬件内存模型： 不同的计算机体系结构有不同的硬件内存模型，即不同的读写操作在不同的条件下可能表现出不同的行为。

4. 数据依赖性： 在某些情况下，某个操作的结果可能会影响后续操作的执行。内存顺序模型可以帮助定义这种数据依赖性。

内存顺序模型通过定义不同操作之间的关系，如同步、重排等，来解决上述问题。不同的内存顺序模型提供了不同的可见性和同步保证，开发者可以根据自己的需求选择适当的模型。总之，内存顺序模型是为了在多线程环境下提供一种标准化的方式来处理内存一致性和可见性问题，从而使多线程编程更加可靠和可预测，重点关注下第2点和第4点。

有人可能会说，我可以用锁来保证顺序，为什么还要设计内存顺序模型呢？

虽然锁（比如互斥锁）在多线程编程中是一种常见的同步机制，用于保护共享资源，但锁并不能解决所有的并发性问题，而且在某些情况下使用锁可能会引入性能问题。内存顺序模型的设计是为了在不同线程之间定义操作的执行顺序和可见性规则，以解决锁无法解决的一些问题，同时在一些情况下也可以提高性能。

1. 细粒度同步： 锁通常是用于保护共享资源的，但有时候我们需要更细粒度的同步，比如在不涉及共享资源的情况下也需要保证操作的顺序和可见性。

2. 原子操作： 内存顺序模型通过定义原子操作的执行顺序和可见性，可以在不使用锁的情况下确保操作的正确执行。这在一些场景下可以避免锁带来的性能开销。

3. 锁的开销： 锁在某些情况下可能引入较大的性能开销，特别是在高并发环境中。内存顺序模型提供了一种更轻量级的同步机制，可以在一些情况下取代锁，提高性能。

4. 编译器和处理器优化： 编译器和处理器对代码进行优化时可能会引入指令重排，这可能会导致锁保护下的共享资源出现问题。内存顺序模型通过规定操作的执行顺序，可以避免这种问题。

5. 原子操作的组合： 内存顺序模型的原子操作可以灵活地组合，以实现更复杂的同步和顺序要求，而不必仅仅依赖于锁。

总之，内存顺序模型和锁在多线程编程中都有其适用的场景。锁通常用于保护共享资源的访问，而内存顺序模型则用于定义操作的执行顺序和可见性，以确保多线程程序的正确性。在多线程编程中，根据具体需求和性能要求，可以选择合适的同步机制。

如果想理解内存顺序，首先要理解两个东西：同一线程中，谁先执行，谁后执行；不同线程中，切换内存的时是否会及时的把依赖数据带过去，对另一个线程可见。

常见的内存顺序模型

C++ 标准库中定义了六种内存顺序模型，用于控制多线程程序中不同操作之间的执行顺序和可见性。这些内存顺序模型通过枚举值表示，从“宽松”到“严格”的次序分别是：

1. std::memory_order_relaxed： 这是最轻量级的内存顺序模型。它不会引入任何额外的同步开销，只保证操作在时间上的顺序是正确的。即使没有明确的同步操作，也不会改变其他线程看到的操作结果。

2. std::memory_order_consume： 在 C++11 中引入，但在 C++20 中被弃用。它主要用于处理数据依赖关系，但在实际中难以实现，已经不推荐使用。

3. std::memory_order_acquire： 在执行当前操作之前，确保所有前面的读操作都完成。它提供了一种读操作同步的保证，确保读操作的结果在后续操作中是可见的。

4. std::memory_order_release： 在执行当前操作之后，确保所有后面的写操作都不会重排到当前操作之前。它提供了一种写操作同步的保证，确保写操作的结果对其他线程是可见的。

5. std::memory_order_acq_rel： 是 memory_order_acquire 和 memory_order_release 的组合。它同时提供了读和写操作的同步保证，适用于需要同时保证读写操作同步的情况。

6. std::memory_order_seq_cst： 是最严格的内存顺序模型，提供了全局的、顺序一致的保证。它确保所有操作按照一个全局的顺序执行，不会引入重排，也保证了最高级别的可见性。

根据具体的多线程编程需求，你可以选择适当的内存顺序模型，以确保正确性和性能。不同的内存顺序模型会引入不同程度的同步开销，因此需要根据实际情况权衡选择。了解这些内存顺序模型可以帮助你在多线程编程中更好地控制操作的执行顺序和可见性，每种模型具体的例子我们后面再慢慢总结。

总结

• 常见的内存顺序模型前三种：std::memory_order_relaxed、std::memory_order_acquire、std::memory_order_acquire
• 常见的内存顺序模型后三种：std::memory_order_release、std::memory_order_acq_rel、std::memory_order_seq_cst
• 其中 `std::memory_order_consume`` 在实际中难以实现，已经在 C++20 中被弃用
• 编译器和处理器对代码进行优化时可能会引入指令重排，这可能会导致锁保护下的共享资源出现问题
• 内存顺序模型通过规定操作的执行顺序，可以避免上一个问题
• 内存顺序和原子操作的引入，是为了无锁的并发编程，提高并发编程的效率

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