编译器是否允许将存储操作重排至条件判断前？原子变量场景分析

先看原始代码：

int test(bool* flag, int* y)
{
    if(*y)
    {
        *flag = false;
    }
    else
    {
        *flag = true;
    }
}

编译器可确定此处一定会对flag执行写入操作，因此可能将代码改写为如下形式：

int test(bool* flag, int* y)
{
    *flag = true;
    if(*y)
    {
        *flag = false;
    }
}

从单线程的as-if规则角度看，这种改写似乎合法，但存在疑问：如果*y恒为true，那么flag最终值应为false，但其他线程读取flag时可能读到临时写入的true，这是否违反as-if规则？该优化是否合法？

补充说明：非原子变量的情况属于未定义行为（UB），无需讨论；以下仅分析flag为采用relaxed ordering的原子变量的场景。

核心结论：该优化合法，不违反规则 #

1. 单线程视角下符合as-if规则 #

as-if规则的核心是保证单线程程序的可观察行为不变。在单线程中，无论*y取值如何，改写后的代码最终flag的结果和原始代码完全一致：

• 若*y为true，最终flag会被覆盖为false；
• 若*y为false，flag保持true。

单线程中不会观察到中间写入的true值，因此完全符合as-if规则，编译器的改写是合法的。

2. 多线程场景下符合relaxed原子的语义 #

对于relaxed顺序的原子变量：

• 它仅保证读写操作的原子性，不提供任何内存顺序约束——既不禁止编译器对原子操作的重排，也不保证操作顺序对其他线程的可见性。
• 其他线程读到临时的true值，属于relaxed原子语义允许的情况。C++内存模型并未要求relaxed原子操作屏蔽这种中间状态的可见性，因此这种优化并未违反标准。

简言之，编译器的这个重排优化在单线程下完全合规，在relaxed原子的多线程场景下也合法，因为relaxed语义本身就允许此类行为。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Moshe Levy