线程间响应原子自增变更：memory_order选择是否正确？

代码示例 #

#include <atomic>
#include <thread>

bool read_from_network() noexcept;
void write_to_network() noexcept;

int main() {
  std::atomic<size_t> work_counter;

  std::thread t1([&work_counter] {
    while (true) {
      if (read_from_network())
        work_counter.fetch_add(1, std::memory_order_release);
    }
  });

  std::thread t2([&work_counter] {
    const auto prev_val = work_counter.load(std::memory_order_acquire);
    write_to_network();
    const auto new_val = work_counter.load(std::memory_order_acquire);
    if (new_val != prev_val) {
      // get reply **after** write_to_network
    }
  });

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

1. 当前选择的std::memory_order是否正确？ #

不正确。原因如下：

• 重排风险：t2中的write_to_network()是普通非原子操作，当前内存序没有约束它与后续new_val.load()的顺序关系。编译器或CPU可能将write_to_network()重排到new_val.load()之后，导致即使new_val检测到计数器变化，对应的t1网络读取操作也可能发生在write_to_network()之前，不符合需求（注：用户说明忽略prev_val加载后、write前的情况，但重排会导致write被延后，误判更早的网络事件为write后的）。
• 同步方向不匹配：当前的release-acquire仅保证t1中fetch_add之前的操作（触发计数器增量的read_from_network()）happens-beforet2中new_val.load()之后的代码，但无法建立t2的write_to_network()happens-beforet1对应read_from_network()的关系，无法确保计数器增量是write后的网络事件导致的。

2. 能否使用memory_order_relaxed保证程序正常工作，还是必须用memory_order_seq_cst？ #

• 不能使用memory_order_relaxed：relaxed操作没有任何同步或顺序约束，编译器和CPU可以自由重排原子操作与普通操作，完全无法保证write_to_network()与计数器加载的顺序，必然会出现误判。
• 需要使用memory_order_seq_cst：seq_cst操作会建立全局总顺序，同时普通操作不会跨越seq_cst操作重排。修改方式为：
  • 将t1中fetch_add的内存序改为std::memory_order_seq_cst
  • 将t2中两次load的内存序改为std::memory_order_seq_cst

这样可以保证：

1. t2中的write_to_network()会被约束在两次seq_cst加载之间，不会被重排到new_val.load()之后；
2. 全局总顺序会确保：如果new_val检测到计数器增量，那么对应的t1的fetch_add操作必然发生在t2的write_to_network()之后，满足“仅处理write后网络事件”的需求。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者user1244932