线程间临界数据必须使用atomic类型而非普通内置类型吗？

我正在阅读《CPP-Concurrency-In-Action-2ed-2019》一书，在5.3章节中作者给出如下示例，用来讲解如何使用std::atomic<bool>实现线程间的代码序列控制（同步）：

#include <vector>
#include <atomic>
#include <iostream>

std::vector<int> data;
std::atomic<bool> data_ready(false);

void reader_thread()
{
  while(!data_ready.load())  // 1
  {
    std::this_thread::sleep(std::milliseconds(1));
  }
  std::cout<<"The answer="<<data[0]<<"\n";  // 2
}
void writer_thread()
{
  data.push_back(42);  // 3
  data_ready=true;  // 4
}

但我产生疑问：若用普通bool替代std::atomic<bool>，程序仍能保证线程安全吗？修改后的代码如下：

#include <vector>
#include <atomic>
#include <iostream>

std::vector<int> data;
bool data_ready(false);

void reader_thread()
{
  while(!data_ready)  // 1
  {
    std::this_thread::sleep(std::milliseconds(1));
  }
  std::cout<<"The answer="<<data[0]<<"\n";  // 2
}
void writer_thread()
{
  data.push_back(42);  // 3
  data_ready=true;  // 4
}

我知晓+=、-=这类复合操作并非线程安全，但仅对POD变量进行简单读写（如data_ready=true）本身是否就不安全？查阅相关问答后仍未能理解其中要点。

问题解答 #

普通bool无法保证线程安全，核心原因有两点： #

• 缺乏内存可见性保障
  writer线程修改普通bool变量data_ready后，reader线程可能永远无法看到这个修改。编译器会因为优化，将data_ready的值缓存到寄存器中，reader线程的循环会一直读取寄存器里的旧值，不会去同步内存中的新值；另外CPU缓存一致性机制也可能没有及时同步不同核心之间的缓存，导致reader核心看不到writer核心写入的新值。

• 没有原子操作与happens-before关系的保障
  原示例中的std::atomic<bool>操作会建立严格的happens-before关系：writer线程中data.push_back(42)（代码3）一定先于data_ready=true（代码4）执行，reader线程中data_ready的读取（代码1）一定先于data[0]的读取（代码2）执行，同时代码4的修改一定先于代码1的读取被观测到，最终保证reader线程读到的是已经初始化完成的data。
  换成普通bool后，这个同步关系完全失效：编译器可能重排指令，把data_ready=true提前到data.push_back(42)之前执行；即使指令没重排，reader线程读到data_ready=true后，也可能因为缓存未同步，看到的data还是未初始化的状态，读取data[0]会触发未定义行为。

关于单字节POD读写的误区 #

很多人误以为单字节POD变量的读写是原子的，但C++标准仅保证原子类型的操作具备原子性，普通变量哪怕是单字节，也没有这个保证——不同CPU架构、编译器优化都可能打破原子性。而且就算原子性侥幸成立，内存可见性的问题依然存在，这才是导致同步失效的关键。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者f1msch