x86-64架构下无缓存数据写入时的缓存行加载延迟问题

场景代码 #

#include <stdatomic.h>

_Atomic int x;

void g(int a)
{
    atomic_store_explicit(&x, a, memory_order_relaxed);
}

针对上述场景（仅对不在缓存中的原子变量x执行memory_order_relaxed语义的纯写入，无任何读取操作），x86-64架构下的缓存行为可以明确如下：

• 必须加载目标缓存行，且需等待加载完成：x86遵循MESI缓存一致性协议，CPU要写入某缓存行时，必须先获取该行的独占（Exclusive）或修改（Modified）状态。而获取这两种状态的前提，是先将对应缓存行从内存或其他CPU的缓存加载到本地缓存中——这个加载流程无法跳过。
• 不存在“即发即弃”式写入：x86架构不支持绕开缓存层次的直接内存写入，所有存储操作都必须经过缓存。哪怕是纯写入操作，硬件层面也必须完成缓存行的加载、状态获取后，才能执行写入动作。
• 延迟的实际感知：虽然缓存行加载的流程不可避免，但x86的存储缓冲区（Store Buffer）可以部分隐藏延迟：CPU会先将写入指令放入存储缓冲区，然后异步执行缓存行的加载和状态获取，后续无关指令可以继续推进。不过这只是硬件层面的异步优化，并不意味着不需要等待缓存行加载完成——当存储缓冲区中的写入操作要提交到缓存时，依然要等待缓存行准备就绪。
• 内存序的影响：memory_order_relaxed仅约束内存可见性的同步规则，不会改变x86底层的缓存行为逻辑——无论使用哪种内存序，存储操作的缓存行加载要求都是一致的。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Kevin Meier