为何Relaxed内存序在该C++示例中表现与Sequential Consistent一致？

我测试了cppreference和《C++ Concurrency in Action》（Anthony Williams著）清单5.4中的示例，将所有memory_order_seq_cst替换为memory_order_relaxed后，上万次测试里assert都没有触发。但cppreference明确说明“任何其他内存序都可能触发assert，因为线程c和d可能以相反顺序观察到原子变量x和y的变化”，Anthony也提到“该约束不会延伸到使用relaxed内存序的原子操作线程”，这和我的测试结果矛盾。

我的问题是：为什么Relaxed内存序在这个示例中表现和Sequential Consistent内存序完全一致？

测试步骤 #

# 编译
c++ example.cc

# 重复测试100000次
for i in {1..100000}; do ./a.out; done;
# 所有测试均成功，无abort情况

测试代码 #

#include <thread>
#include <atomic>
#include <cassert>
 
std::atomic<bool> x = {false};
std::atomic<bool> y = {false};
std::atomic<int> z = {0};
 
void write_x()
{
    x.store(true, std::memory_order_relaxed);
}
 
void write_y()
{
    y.store(true, std::memory_order_relaxed);
}
 
void read_x_then_y()
{
    while (!x.load(std::memory_order_relaxed))
        ;
    if (y.load(std::memory_order_relaxed)) {
        ++z;
    }
}
 
void read_y_then_x()
{
    while (!y.load(std::memory_order_relaxed))
        ;
    if (x.load(std::memory_order_relaxed)) {
        ++z;
    }
}
 
int main()
{
    std::thread a(write_x);
    std::thread b(write_y);
    std::thread c(read_x_then_y);
    std::thread d(read_y_then_x);
    a.join(); b.join(); c.join(); d.join();
    assert(z.load() != 0);  // 从未触发
}

问题解析 #

首先要明确：C++内存模型定义的是允许出现的行为，不是一定会出现的行为。cppreference和书中的表述是说relaxed内存序下assert有可能触发，而不是必然触发。你的测试没触发，只是没碰到那个概率极低的执行路径而已。

具体来说，这种“反向观察”的情况需要满足几个极端条件：

1. 线程c看到x被设置为true，但此时y的更新还没同步到它的缓存；
2. 线程d看到y被设置为true，但此时x的更新还没同步到它的缓存；
3. 两个线程各自完成后续操作后，z的值依然是0，最终触发assert。

现代CPU的缓存同步机制（比如MESI协议）以及编译器的优化策略，会让这种极端情况很难出现。尤其是在x86架构下，CPU本身对内存操作有较强的一致性保证（默认接近seq_cst的顺序一致性，仅允许store-load重排），而你的代码里没有store-load的场景，所以relaxed和seq_cst的表现几乎一致。

另外，测试次数多不代表能覆盖所有可能的执行路径。这种竞态条件的触发依赖于CPU调度、缓存刷新的精确时机，可能需要百万甚至千万次测试才有可能碰到一次，或者在特定的弱一致性架构（比如部分老款ARM）上更容易重现。

总结：relaxed内存序确实允许assert触发的情况存在，只是你的测试环境和次数还没碰到而已，这和内存模型的定义并不矛盾。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者absuu