C++并发：为何第二个消费者无法与populate_queue同步，需fetch_sub的release？

代码片段（来自《C++ Concurrency in Action》5.3.4节） #

#include <atomic>
#include <thread>
std::vector<int> queue_data;
std::atomic<int> count;

void populate_queue()
{
    unsigned const number_of_items=20;
    queue_data.clear();
    for(unsigned i=0;i<number_of_items;++i)
    {
        queue_data.push_back(i);
    }
    count.store(number_of_items,std::memory_order_release);
}

void consume_queue_items()
{
    while(true)
    {
        int item_index;
        if((item_index=count.fetch_sub(1,std::memory_order_acquire))<=0)
        {
            wait_for_more_items();
            continue;
        }
        process(queue_data[item_index-1]);
    }
}

int main() {
    std::thread a(populate_queue);
    std::thread b(consume_queue_items);
    std::thread c(consume_queue_items);
    a.join();
    b.join();
    c.join(); 
}

原文引用 #

若无release序列规则或fetch_sub操作上的memory_order_release，将无法保证queue_data的存储对第二个消费者可见，会引发数据竞争。

疑问 #

为何需要fetch_sub的release语义来同步queue_data的存储？第二个消费者为什么不能直接和populate_queue线程的release操作同步？

解答 #

核心原因在于原子操作的同步关系是一对一的，而非一对多：

• 第一个消费者线程调用fetch_sub(acquire)时，读取的是populate_queue中store(release)写入的原始值，二者直接形成同步关系，因此该线程能确保看到queue_data的所有前置写入操作。
• 但第二个消费者线程调用的fetch_sub读取的是第一个消费者fetch_sub修改后的值，并非populate_queue写入的原始值。如果fetch_sub仅用acquire语义，且没有release序列规则兜底，那么第二个消费者的acquire操作和populate_queue的release操作之间没有合法的同步链路。

这里的关键是C++内存模型中的release序列规则：当原子变量上执行了release操作后，后续对该变量的一系列原子读-改-写（RMW）操作（比如fetch_sub）会被纳入release序列。此时，后续线程对该变量的acquire操作，就能通过这个序列间接和最初的release操作建立同步关系，从而确保能看到release操作之前的所有内存写入。

如果没有release序列，且fetch_sub不带release语义，第二个消费者拿到的是第一个线程修改后的count值，这个修改操作没有release语义来传递同步关系，自然无法保证它能看到queue_data的内容，最终导致数据竞争。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Rupa