纯Load+Store能否模拟RMW操作？原子操作顺序相关问询

在C++程序中，若对某原子对象的所有操作均为**RMW（读-改-写）**操作，根据[atomic.order] p10规则，可保证该原子对象修改顺序中的某一修改仅会被一个RMW操作读取，基于此可构建临界区。

示例代码：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <atomic>
int main(){
  std::atomic<int> state = {0};
  int protect_v = 0;
  std::thread t1([&](){
     int expected = 0;
     if(state.compare_exchange_strong(expected,1,std::memory_order::release,std::memory_order::acquire)){
          protect_v  = 2;
       }else{
          std::cout<< "t1 read: "<<protect_v  <<"\n";
       }
  });
  std::thread t2([&](){
     int expected = 0;
     if(state.compare_exchange_strong(expected,1,std::memory_order::release,std::memory_order::acquire)){
          protect_v  = 3;
       }else{
         std::cout<< "t2 read: "<<protect_v  <<"\n";
       }
  });
  t1.join();
  t2.join();
}

但若将上述程序中的任一RMW操作替换为Load操作后紧跟Store操作，该保证是否依然成立？在此情况下，若Load读取到0且Store写入1，即便这两个操作间无干扰，另一RMW操作仍可能读取到0，反之亦然，这是否会打破原有保证？

Q1：若要让单个原子对象修改顺序中的某一修改仅被一个操作读取，是否必须对该对象的所有操作均为RMW操作，以确保它们竞争读取该值？ #

是的，必须所有操作都是RMW操作才能保证这一点。

RMW操作是原子性的整体操作——读取当前值、计算新值、写入新值的过程不可分割。当多个RMW操作竞争同一个原子对象时，每个RMW操作要么成功修改对象（读取到的是修改顺序中前一个未被其他RMW操作“抢占”的值），要么读取到其他RMW操作已经写入的新值，不会出现两个操作同时读取到同一个旧值并都进行写入的情况。

如果混合使用非RMW操作（比如单独的Load+Store），Load和Store是两个独立的原子操作，中间存在时间窗口：线程A执行Load读到0后，线程B的RMW操作可能先完成写入1，此时线程A再执行Store写入1，就会出现两个操作（线程A的Load、线程B的RMW）都读取到了初始的0值，打破了“一个修改仅被一个操作读取”的保证。

Q2：给定如下代码： #

std::atomic<bool> flag = false;
std::atomic<int> state = 0;
// thread 1:
if(state.load(std::memory_order::seq_cst)==0){
   state.store(1,std::memory_order::seq_cst);
   flag.store(true,std::memory_order::seq_cst);
}
// thread 2:
while(!flag.load(std::memory_order::relaxed)){}
state.exchange(1,std::memory_order::seq_cst);

其中的RMW操作exchange是否仍能读取到值0？

不可能读取到0。

线程2会一直等待flag变为true，而flag.store(true)是在thread1执行完state.store(1, seq_cst)之后才执行的。由于所有state的操作都是seq_cst顺序，thread1的state.store(1)在全局一致性顺序中必然先于thread2的state.exchange(1)。因此thread2的exchange操作只能读取到1，而不可能是初始的0。

Q3：Load与exchange在单一全序中如何排序？ #

首先明确两个标准条款的含义：

[atomics.order] p3规定：某原子对象M上的原子操作A在一致性顺序上先于M上的另一原子操作B，当且仅当：
[...]
A与B并非同一原子读-改-写操作，且存在M的某原子修改X，使得A读取X存储的值，且X在M的修改顺序中先于B，或者[...]

[atomics.types.operations] p3规定：state的初始化并非原子修改：效果：用期望的值初始化对象。初始化并非原子操作（[intro.multithread]）。

对于原子对象的初始值0：虽然初始化不是原子修改，但该初始值会被视为修改顺序中的“起始状态”。

回到Load和exchange的排序逻辑：

1. 如果thread1的state.load(seq_cst)读取到初始值0，那么这个Load操作在一致性顺序中先于thread1后续的state.store(1)，同时也先于thread2的state.exchange(1)——因为thread2的exchange读取的是thread1 store的1，而thread1的store在修改顺序中先于exchange的修改。
2. 从全局seq_cst全序来看，thread1的Load、thread1的Store、thread2的Exchange会按照符合happens-before关系的顺序排列（比如Load → Store → Exchange），此时Load先于Exchange。

简言之：Load操作如果读取的是某个修改（或初始状态）的值，且该修改在修改顺序中先于exchange操作的修改，那么Load在一致性顺序中就先于exchange。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者xmh0511