单线程内宽松原子内存访问的顺序保证及C++标准相关问题

场景1：线程内原子store与load的顺序保证 #

问题代码 #

void foo() {
  // 此处A != 42
  A.store(42, std::memory_order::relaxed);
  auto a = A.load(std::memory_order::relaxed);
  if (a != 42) assert("What!?")
}

其中A为全局std::atomic<int>变量，其他线程仅对其进行读取。问题是：当某线程调用foo()时，C++的哪条语言规则保证该线程内A.store(42, ...)在sequenced before关系上先于A.load(...)？

解答 #

C++标准通过线程内的程序顺序（program order）与sequenced before关系保证这一点：

• 根据[intro.execution]条款，同一线程中，按程序书写顺序出现的完整表达式，前者sequenced before后者。具体来说，A.store(42, std::memory_order::relaxed)作为完整表达式，sequenced before后续的A.load(...)完整表达式。
• 对于原子操作，[atomics.order]条款明确：同一线程中，对同一原子对象的原子操作，若前者sequenced before后者，则后者必然能看到前者操作的结果——即使使用memory_order::relaxed内存顺序。

这意味着，调用foo()的线程中，store操作的修改一定会被后续的load读取到，断言永远不会触发。

场景2：seq_cst store与seq_cst栅栏的等效性 #

问题代码 #

修改后的foo()：

void foo() {
  // 此处A != 42
  A.store(42, std::memory_order::relaxed);
  B.store(0, std::memory_order::seq_cst);
  auto a = A.load(std::memory_order::relaxed);
  if (a != 42) assert("What!?")
}

其中新增全局std::atomic<int>变量B。在x64平台上，这段代码（除修改B外）等效于：

void foo() {
  // 此处A != 42
  A.store(42, std::memory_order::relaxed);
  std::atomic_thread_fence(std::memory_order::seq_cst);
  auto a = A.load(std::memory_order::relaxed);
  if (a != 42) assert("What!?")
}

问题是：从C++语言标准角度，是否存在这样的等效保证？

解答 #

从C++标准角度，不存在这样的等效保证，原因如下：

1. 语义本质不同：
   • std::atomic_thread_fence(std::memory_order::seq_cst)是独立内存屏障，作用是同步线程间的所有原子操作：栅栏前的所有原子写对其他线程的seq_cst读可见，栅栏后的所有原子读能看到其他线程之前的seq_cst写。
   • B.store(0, std::memory_order::seq_cst)是针对B的seq_cst级原子写，仅参与全局seq_cst总顺序，同步语义围绕B展开，而非像栅栏一样对所有原子操作进行全局同步。
2. 线程内顺序的依赖逻辑不同：
   虽然同一线程内A.store sequenced before B.store，后者又sequenced before A.load，保证了线程内读取结果正确，但这依赖的是线程内的sequenced before关系，而非seq_cst store的栅栏效果。标准并未规定seq_cst store可以替代seq_cst栅栏的全局同步语义——x64平台的类似表现只是特定实现细节，而非标准强制要求。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Alexander Spichak