原子变量紧凑无限循环：编译器能否提升检查？相关技术疑问

先看示例代码：
原始代码：

std::atomic<bool> ready = false;
void run() {
    while(!ready){}
    // ... 执行后续操作
}

编译器是否有权将其重排为以下形式？

std::atomic<bool> ready = false;
void run() {
    bool is_ready = ready;
    while(!is_ready){}
    // ... 执行后续操作
}

针对这个违反直觉的优化问题，我们逐一解答：

1. 编译器是否有权进行这种重排？ #

是的，特定条件下编译器确实可以这么做。根据C++的as-if规则，只要优化后的程序与原程序的可观察行为一致，编译器就允许进行各类优化。对于这个空循环来说，如果编译器无法证明其他线程会修改ready（比如无法追踪到跨线程的写操作），它会判定循环内的重复读取是无意义的——当前线程没有修改ready，重复读取不会产生不同结果，因此可以把读取操作提升到循环外。

即便ready是std::atomic类型，默认的memory_order_seq_cst内存顺序也不禁止这种优化。内存顺序主要约束的是跨线程操作的可见性和指令顺序，而非强制编译器每次都从内存读取。只有当编译器能确定存在其他线程的修改时，才会放弃这种提升。

2. 改为调用ready.load()能否阻止重排？ #

不能。直接读取std::atomic变量本质上就是调用它的operator bool()，而这个操作内部就是调用默认内存顺序的load()。显式调用ready.load()和直接读取变量语义完全等价，编译器仍然会执行相同的优化。

如果想要强制编译器每次都从内存读取ready，你需要让编译器意识到每次读取可能得到不同值——比如在循环内插入编译器内存屏障（如GCC的__asm__ __volatile__("" : : : "memory")），或者谨慎使用volatile修饰std::atomic（注意：标准未明确规定volatile与std::atomic组合的行为，不同编译器可能有差异，不推荐作为通用解决方案）。

3. 为什么CAS操作不会被类似重排？ #

CAS（比如std::atomic::compare_exchange_weak）是读-改-写操作，本身带有明确的副作用：每次调用都会尝试修改原子变量的值，并且返回操作是否成功。编译器无法将CAS提升到循环外，原因在于：

• CAS的返回值依赖于当前内存中的实际值，每次调用的结果可能不同；
• CAS操作会直接与内存交互，成功时会修改内存中的值，这属于可观察的副作用，编译器不能随意消除或重排这类操作。
  因此，循环中的CAS操作会被编译器保留每次调用，不会被提升到循环外。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者DDG