原子存储操作前如何防止写重排？线程同步内存序选型问题

场景代码 #

响应事件启动耗时异步线程，但需保证同一时间仅启动一个线程，代码如下：

void foo() 
{
   // 执行密集型任务
   in_progress.store(false, /*???*/); // op 1
}

void bar()
{
    if(in_progress.load(/*???*/)) // op 2
        return
    
    in_progress.store(true, /*???*/); // op 3

    // 调用线程运行事件循环，t完成后自行结束
    std::thread t(foo);
    t.detach();
}

核心疑问 #

in_progress的三个原子操作应选用何种内存序？最初考虑使用std::memory_order_relaxed，但担心线程对象t的构造写操作会被重排至op3之前。由于无法将op3移至t构造之后（失去防护作用），需找到能防止写操作重排至原子存储之前的内存序，不确定原子操作是否足够，还是需要信号量等其他同步原语。

内存序的正确配置 #

三个原子操作的内存序应按如下设置：

• op1（foo中的store(false)）：std::memory_order_release
• op2（bar中的load()）：std::memory_order_acquire
• op3（bar中的store(true)）：std::memory_order_release

选型原因 #

1. 阻止重排风险：std::memory_order_release在op3处会强制编译器和CPU不能将其后的线程构造/启动操作重排到该存储之前，确保只有标记in_progress为true后，新线程才会被创建，完全解决你担心的重排问题。
2. 保证线程间可见性：当foo通过release存储false时，后续调用bar的线程用acquire加载in_progress，能确保看到foo中密集型任务全部完成后的状态，避免因旧值读取导致的重复启动线程问题。
3. 无需额外同步原语：acquire-release的配对语义已经足够提供所需的同步保障，不需要信号量或其他复杂同步工具，性能开销也比最严格的seq_cst更低。

修正后的完整代码 #

#include <atomic>
#include <thread>

std::atomic<bool> in_progress{false};

void foo() 
{
   // 执行密集型任务
   in_progress.store(false, std::memory_order_release); // op1
}

void bar()
{
    if(in_progress.load(std::memory_order_acquire)) // op2
        return;
    
    in_progress.store(true, std::memory_order_release); // op3

    std::thread t(foo);
    t.detach();
}

补充说明 #

如果需要全局严格的操作顺序一致性，也可以替换为std::memory_order_seq_cst，但它的同步开销略高，本场景下acquire-release完全满足需求。另外要确保in_progress是全局/静态的原子变量，保证所有bar和foo调用访问的是同一个实例。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Pacopenguin