为何不同线程可观测不同内存操作顺序？C++并发原子操作疑问

问题背景 #

以下是《C++ Concurrency in Action（第二版）》中的示例代码，作者指出线程Tc和Td可能观测到不同的内存状态：

1. Tc观测到x == true且y == false
2. Td观测到x == false且y == true
   最终z的值可能为0，触发断言失败。

示例代码 #

std::atomic<bool> x(false), y(false);
std::atomic<int> z(0);
void write_x() { // Ta
  x.store(true, std::memory_order_release); // A
}
void write_y() { // Tb
 y.store(true, std::memory_order_release);  // B
}
void read_x_then_y() { // Tc
 while(!x.load(std::memory_order_acquire)); // C
 if(y.load(std::memory_order_acquire))      // D
   ++z;
}
void read_y_then_x() { // Td
 while(!y.load(std::memory_order_acquire)); // E
 if(x.load(std::memory_order_acquire))      // F
   ++z;
}
int main() {
 std::thread a(write_x);
 std::thread b(write_y);
 std::thread c(read_x_then_y);
 std::thread d(read_y_then_x);
 a.join();
 b.join();
 c.join();
 d.join();
 assert(z.load() != 0);
}

你最初的理解是：语句A和B的执行顺序要么是AB要么是BA，假设为AB时，Td看到y=true后必然能看到x=true，所以z一定会大于0，但这个理解存在错误。

错误点解析 #

1. 错误假设了"全局执行顺序" #

C++内存模型中不存在全局统一的操作执行顺序，只有线程内部的程序顺序和线程间的同步关系。Ta和Tb是完全独立的线程，它们的store操作之间没有任何同步约束，不存在全局意义上的AB或BA执行顺序。

2. 误解了release-acquire同步的作用范围 #

std::memory_order_release和std::memory_order_acquire仅能在特定的线程对之间建立同步关系：

• Ta的x.store(..., release)和Tc的x.load(..., acquire)同步：Tc看到x=true时，能保证看到Ta中所有在该store之前的操作，但这和Tb的操作毫无关联。
• Tb的y.store(..., release)和Td的y.load(..., acquire)同步：Td看到y=true时，能保证看到Tb中所有在该store之前的操作，但和Ta的操作无关。

Ta和Tb之间没有任何同步机制，所以它们的操作在其他线程的内存视图中可能是乱序的。

3. 导致z=0的具体场景 #

• Tc通过while循环看到x=true（确认Ta的store已对自己可见），但此时Tb的y.store操作可能还未对Tc可见，所以Tc执行D时y=false，不会执行++z。
• Td通过while循环看到y=true（确认Tb的store已对自己可见），但此时Ta的x.store操作可能还未对Td可见，所以Td执行F时x=false，也不会执行++z。
• 最终z的值为0，触发断言失败。

你之前的错误在于认为"如果A在全局先于B，那么Td看到y=true时必然看到x=true"，但全局顺序并不存在，Td看到y=true仅和Tb的操作同步，无法推导出Ta的操作对其可见。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者hao