为何relaxed操作可重排序？程序序与happens-before的关系及重排条件

在《C++ Concurrency in Action》中，作者提到relaxed ordering的规则：

不同变量上的relaxed操作可自由重排序，只要它们遵循所绑定的任何happens-before关系

而cppreference的memory_order页面给出了如下示例：

// Thread 1:
r1 = y.load(std::memory_order_relaxed); // A
x.store(r1, std::memory_order_relaxed); // B
// Thread 2:
r2 = x.load(std::memory_order_relaxed); // C 
y.store(42, std::memory_order_relaxed); // D

该示例允许出现r1 == r2 == 42的结果，因为尽管线程1中A被sequenced-before B，线程2中C被sequenced-before D，但没有任何规则阻止D在y的修改顺序中出现在A之前，也没有规则阻止B在x的修改顺序中出现在C之前。线程1中的加载操作A可能看到线程2中D对y的副作用，线程2中的加载操作C可能看到线程1中B对x的副作用。这种情况尤其可能在D在线程2中先于C完成时发生，无论是编译器重排序还是运行时重排序导致的。

我的疑问是：

1. 线程2中C被sequenced-before D，是否意味着C也happens-before D？
2. 操作D和C的重排序是否与书中“relaxed操作可重排序但必须遵循happens-before关系”的说法矛盾？
3. relaxed操作在什么条件下可以重排序？

解答 #

1. Sequenced-before 必然等价于同一个线程内的happens-before #

是的，C++标准明确规定：同一线程内，如果操作X被sequenced-before操作Y，那么X一定happens-before Y。所以线程2里的C确实happens-before D。

2. 重排序和happens-before规则完全不矛盾 #

这里的核心误区是：happens-before约束的是操作结果的可见性和逻辑一致性，不是操作的实际执行顺序。

书中说的“遵循happens-before关系”，指的是不能破坏线程内的依赖逻辑——比如示例里B用到了A加载的r1，这种数据依赖下，编译器和CPU绝对不能把B重排到A前面，否则B会拿到无效值。但C和D是完全独立的操作：C读x，D写y，互相没有数据依赖，所以即使它们有sequenced-before（也就是happens-before）关系，也允许被调整执行顺序。

换句话说，happens-before不要求操作必须按代码顺序执行，只要求如果X happens-before Y，那么X的结果对Y是可见的（如果Y依赖X的话），同时程序的最终结果要符合至少一种合法的执行序列。示例里r1==r2==42的结果，完全符合这样的合法序列：线程2先执行D，线程1执行A读到42，线程1执行B把42写入x，最后线程2执行C读到42——这个序列完全遵守所有happens-before规则，所以是合法的。

3. Relaxed操作的重排序条件 #

Relaxed操作的重排序限制极少，只要满足两个核心条件：

• 不破坏线程内的数据依赖：如果操作Y必须用到操作X的结果，那么X和Y的顺序不能被颠倒。
• 遵循单个变量的全局修改顺序：针对同一个变量的所有操作，必须存在一个全局一致的修改顺序，所有线程看到的该变量的变化顺序必须和这个全局顺序匹配。但不同变量的修改顺序之间没有约束，所以不同变量的relaxed操作可以任意交叉重排。

简单总结：只要操作之间无数据依赖，且不违反单个变量的修改顺序一致性，relaxed操作就可以被编译器或CPU自由重排序。

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