非原子对象访问的内存序：acquire-release可见性验证

#include <stdatomic.h>
#include <stdlib.h>

void write(int *j, _Atomic int *i){
    *j = rand();
    atomic_store_explicit(i, 1, memory_order_release);
}

void read(int *j, _Atomic int *i){
    if(atomic_load_explicit(i, memory_order_acquire)){
        int var = *j;
        atomic_store_explicit(i, 0, memory_order_release);
    }
}

假设int *j和_Atomic int *i指向无关联的同一内存对象，两个线程分别无限循环执行上述write和read函数。请问：当atomic_load_explicit(i, memory_order_acquire)读取到atomic_store_explicit(i, 1, memory_order_release)写入的值时，int var = *j;是否必然读取到同一迭代中*j = rand();写入的值？

提问者的理解： #

1. 由于程序顺序，*j = rand(); 先序于（Sequenced before） atomic_store_explicit(i, 1, memory_order_release);。
2. 若atomic_load_explicit(i, memory_order_acquire)读取到对应写入值，则前者与后者同步于（synchronizes with）。
3. 同理，atomic_load_explicit(i, memory_order_acquire) 先序于（Sequenced before） int var = *j;。
4. 因此，*j = rand(); 线程间先发生于（inter-thread happens before） int var = *j;。

根据C标准5.1.2.4/p20规则，*j = rand();是相对于int var = *j;的可见副作用（a visible side effect）。

核心问题： #

通过带有synchronizes-with关系的acquire-release操作，是否真的能为**非原子对象（non-atomic object）**提供可见性保证？*j = rand();是否可能与atomic_store_explicit(i, 1, memory_order_release);重排序？或者atomic_load_explicit(i, memory_order_acquire)是否可能与int var = *j;重排序？

注：x86架构中读写操作不会与同类操作重排序，因此针对x86编译的汇编代码无法提供反例。

回答： #

是的，int var = *j;必然会读取到同一迭代中*j = rand();写入的值，acquire-release语义完全可以为非原子对象提供跨线程的可见性保证，且不会发生你担心的重排序。

具体依据C标准的规则：

• release语义约束：memory_order_release的原子存储操作会阻止编译器和硬件将它之前的任何内存操作（包括非原子的*j = rand();）重排序到它之后。也就是说，*j的写入一定会在i的release存储完成前完成，且所有对*j的修改都会被同步到内存中。
• acquire语义约束：memory_order_acquire的原子加载操作会阻止编译器和硬件将它之后的任何内存操作（包括非原子的int var = *j;）重排序到它之前。也就是说，var对*j的读取一定会在i的acquire加载完成后执行。
• 线程间先发生关系（inter-thread happens before）：结合你梳理的先序关系和synchronizes-with关系，*j的写入明确线程间先发生于var的读取。根据C标准5.1.2.4/p20，如果一个副作用线程间先发生于一个读取操作，那么这个副作用就是该读取操作的可见副作用，读取必须得到这个副作用的结果。

即使在弱内存模型架构（如ARM、PowerPC）下，编译器和硬件也会严格遵守acquire-release的约束，不会出现你担心的重排序情况。x86因为本身是强内存模型，所以表现更严格，但这并不影响标准层面的保证。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Some Name