原子读-改-写操作是否为单一不可分操作？标准意图解析

关于原子RMW操作的本质，存在两种看似矛盾的表述：

• CWG成员Jens Maurer明确指出read-compare-write是单一、不可分的原子操作；
• 社区普遍认为RMW操作包含读、写两个步骤，这也符合C++标准[atomics.order] p10的描述：“原子读-改-写操作应始终读取其关联写入操作之前（修改顺序中）的最后写入值”——条款直接提到了RMW关联的“读”和“写”动作。

这就带来疑问：标准此处的真实意图是什么？再结合以下代码示例，还需要明确RMW操作的内存序语义是否能触发线程间同步：

std::atomic<int> x{0};

// 线程1:
int expected = 0;
x.compare_exchange_strong(expected, 1, std::memory_order::release, std::memory_order::relaxed); // #1

// 线程2:
int expected = 1;
while(
    /*#2*/ 
    x.compare_exchange_strong(expected, 2, std::memory_order::acquire, std::memory_order::relaxed)
){}

假设线程2的RMW操作一次就读取到线程1写入的值（即#2仅执行一次循环），结合标准条款分析：

[atomics.order] p2：对原子对象M执行release操作的原子操作A，与对M执行acquire操作且取值来自A领头的释放序列中任何副作用的原子操作B同步。
[atomics.order] p1：memory_order::release、memory_order::acq_rel和memory_order::seq_cst：存储操作对受影响的内存位置执行release操作。memory_order::acquire、memory_order::acq_rel和memory_order::seq_cst：加载操作对受影响的内存位置执行acquire操作。

关键结论 #

1. RMW操作的原子性与语义描述的关系

需要从两个层面理解：

• 原子性保证层面：Jens Maurer的表述是从"操作不可分性"出发——RMW作为一个整体，不会被其他线程的原子操作打断，其他线程不可能观察到RMW执行到一半的中间状态，这是RMW的核心原子性承诺。
• 语义规则层面：标准条款提到的"读"和"写"是对RMW内部逻辑的拆分描述，用于定义其内存顺序行为和修改顺序规则，并不否定其作为整体的原子性。

2. 线程1与线程2的同步关系

• 当#1的compare_exchange_strong操作成功时，其内部的存储部分会执行release语义；
• 当#2的compare_exchange_strong操作成功时，其内部的加载部分会执行acquire语义；
• 由于#2读取到的值来自#1的写入（属于#1领头的释放序列），根据[atomics.order] p2，#1和#2会建立同步关系：#1的所有可见副作用对#2线程可见，且#1的操作在#2的操作之前完成。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者xmh0511