C++11 memory_order_relaxed内存序疑问及acquire-release模型解惑

示例代码 #

// Thread 1:
r1 = y.load(std::memory_order_relaxed); // A
x.store(r1, std::memory_order_relaxed); // B
// Thread 2:
r2 = x.load(std::memory_order_relaxed); // C 
y.store(42, std::memory_order_relaxed); // D

示例说明 #

该示例允许出现r1 == r2 == 42的结果，原因是尽管线程1中A先于B执行、线程2中C先于D执行，但D可能在A之前出现在y的修改顺序中，B可能在C之前出现在x的修改顺序中。D对y的副作用可能被线程1的加载A感知，B对x的副作用可能被线程2的加载C感知，这可能因编译器重排或运行时执行顺序导致。

疑问解答 #

1. 线程1中由于r1的加载操作与x的存储操作存在依赖关系，因此不会发生重排，这一判断是否正确？ #

不完全正确。线程1中A和B存在数据依赖（B的操作数直接来自A的结果），因此编译器和CPU不会对A、B做线程内的执行重排——线程1内部A必然先于B执行。但memory_order_relaxed不保证跨线程的内存可见性顺序：即使A先于B执行，B对x的修改在其他线程看来，仍可能早于A对y的加载的影响，这属于跨线程的内存可见性规则范畴，和线程内执行顺序无关。

2. 线程2中由于加载操作与存储操作之间无依赖关系，因此可以发生重排，这一判断是否正确？ #

正确。线程2中C（加载x）和D（存储y）之间无数据依赖、控制依赖或其他同步约束，编译器或CPU完全可以将D重排到C之前执行。这也是r1 == r2 == 42结果出现的可能原因之一：线程2先执行D将y设为42，线程1加载该值后存入x，线程2再加载x得到42。

3. 该问题能否通过acquire-release内存模型解决？若可以，原因是什么？使用acquire-release模型可防止重排，但如果线程2比线程1执行更快，y的值保持为42，之后线程1中x也会变为42，我忽略了哪些关键点？ #

可以通过acquire-release内存模型解决，核心原因是它能建立跨线程的happens-before同步关系，而非仅仅防止线程内重排：

• 调整内存序规则：对变量y，线程2的D操作（y.store）使用std::memory_order_release，线程1的A操作（y.load）使用std::memory_order_acquire；对变量x，线程1的B操作（x.store）使用std::memory_order_release，线程2的C操作（x.load）使用std::memory_order_acquire。
• 同步约束效果：
  1. 如果线程1的A加载到了线程2的D存储的42，那么D的release操作与A的acquire操作会建立同步关系，意味着线程2中D之前的所有操作（即C）happens-before线程1中A之后的所有操作（即B）。也就是说，线程2的C必然在线程1的B之前执行，此时线程2加载x时，线程1还未执行B，x不会是42，因此r2不可能等于42。
  2. 如果线程2的C加载到了线程1的B存储的值，那么B的release操作与C的acquire操作会建立同步关系，意味着线程1中B之前的所有操作（即A）happens-before线程2中C之后的所有操作（即D）。也就是说，线程1的A必然在线程2的D之前执行，此时线程1加载y时，线程2还未执行D，y不会是42，因此r1不可能等于42。
• 你忽略的关键点：acquire-release的核心作用是跨线程的顺序约束，而非仅线程内重排阻止。它通过同步关系强制关联不同线程的操作顺序，从根源上避免了两个线程互相“提前感知”对方操作的情况，无论线程执行速度快慢，都不会出现r1 == r2 == 42的结果。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者getsoubl