C++自定义原子锁是否存在代码重排风险，导致锁防护失效？

我实现了一个用于防止多线程访问同一代码段的锁：

struct SimpleAtomicThreadLock
{
constexpr SimpleAtomicThreadLock() : bIsLocked(false) {}
std::atomic<bool> bIsLocked;

void lock()
{
    while (bIsLocked.exchange(true));
}
void unlock()
{
    bIsLocked.store(false);
}
};

并按如下方式使用该锁：

void Mesh::drawMesh()
{
    static constexpr SimpleAtomicThreadLock lock;

    lock.lock();
        /* BOTH MESH AND MATERIAL NEED TO BE MADE SHADER ACCESS READY */
        if (!mesh->isDeviceLocal() && !mesh->bIsBeingMadeDeviceLocal)
        {
            Engine::makeMeshDeviceLocal(mesh);
        }
        if (!this->material->isReadyForShaderUse() && !this->material->bIsBeingMadeReadyForShaderUse)
        {
            Engine::makeMaterialShaderAccessReady(material);
        }

        lock.unlock();
}

我正在学习C++内存模型中的原子操作相关知识，了解到编译器通常会对函数内的语句进行重排。请问在上述场景中，锁与解锁之间的代码是否可能被重排到lock()调用之前？

不会，lock()和unlock()之间的临界区代码绝对不可能被重排到lock()调用之前，核心原因是原子操作带来的内存约束：

• 原子操作的内存序规则
  bIsLocked.exchange(true)默认采用的是std::memory_order_seq_cst（顺序一致内存序），这是C++内存模型里最严格的内存序。它会生成一个全局内存屏障，强制要求：

  • 所有在这个exchange操作之前的内存访问，不能被重排到它之后；
  • 所有在这个exchange操作之后的内存访问（也就是你的临界区代码），不能被重排到它之前。

• 编译器的优化边界
  编译器的代码重排必须严格遵守C++内存模型，不能破坏原子操作的语义。如果把临界区代码重排到lock()之前，就相当于跳过锁直接执行线程不安全的代码，这完全违反了标准规定的原子操作内存约束，编译器不会做这种优化。

• 补充：unlock的内存保障
  顺带提一句，unlock()里的bIsLocked.store(false)默认也是std::memory_order_seq_cst，它会确保临界区的所有内存操作都完成后，才会执行解锁的存储操作，防止临界区代码被重排到unlock()之后——不过这和你的问题无关，只是额外的保障。

总结一下，std::atomic的原子操作（尤其是默认的顺序一致内存序）已经从语言层面禁止了这种危险的重排，你不用担心临界区代码跑到锁前面执行。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Zebrafish