支持C++11并发库所需的最小原子指令集咨询

嘿，这个问题问到点子上了——自定义CPU肯定得抠成本和复杂度，没必要把所有花里胡哨的原子指令都加上，刚好我做过低层多核系统的适配，给你捋捋核心要点：

核心前提：C++11内存模型的本质需求 #

C++11的并发库（包括std::atomic、std::mutex、std::thread这些）底层依赖的是原子操作的不可分割性和内存访问的顺序约束，所以我们只需要支撑这两个核心的指令集就行，不用搞冗余的。

一、必须有的原子RMW操作：二选一即可 #

你提到RISC-V没有原生CAS，但其实它靠lr.w（加载保留）和sc.w（条件存储）这对指令就能实现所有读-改-写（RMW）操作，比如CAS、原子加减、交换这些。这才是关键：

• 要么支持LL/SC指令对（加载-保留/条件存储）
• 要么支持CAS指令（比较并交换）
  二者选其一就完全能覆盖C++11里std::atomic的所有RMW方法，比如fetch_add、compare_exchange_weak这些核心操作，都能靠这两类指令模拟出来。所以CAS真的不是必需的，只是x86这类架构把它作为核心RMW指令而已。

二、内存序的支撑：内存屏障或带语义的原子指令 #

C++11的内存模型有不同的内存序（比如memory_order_acquire、memory_order_release、memory_order_seq_cst），这是保证线程间同步的关键：

• 至少要能实现**acquire（获取）和release（释放）**语义：可以是专门的内存屏障指令，也可以是自带这些语义的原子加载/存储指令。
• 必须支持**顺序一致（seq_cst）**语义：这是C++11原子操作的默认内存序，要么有隐含该语义的原子指令，要么能通过内存屏障+普通原子指令组合出来。

三、基础原子加载/存储 #

对于对齐的基础数据类型（比如32位、64位整数），很多CPU的普通加载/存储就是原子的（不会出现数据撕裂），但如果你的CPU架构本身不保证这一点，那就要专门支持原子加载和原子存储指令，或者用LL/SC来模拟原子的加载存储。

哪些是性能优化，而非必需？ #

像x86里的xadd（原子加减）、xchg（原子交换）这类专用RMW指令，都是为了提升性能的“加分项”，没有它们完全不影响功能——用LL/SC或者CAS就能模拟这些操作，只是性能会稍差，但完全能满足C++11并发库的功能要求。

最小指令集总结 #

把这些浓缩一下，你的自定义CPU只需要支持以下几点就够了：

• 对齐数据的原子加载+存储（或者普通加载存储保证原子性）
• LL/SC指令对 OR CAS指令
• 能实现acquire/release语义的内存屏障，或带这些语义的原子指令（最终要能支撑seq_cst内存序）

举个例子，RISC-V的RV32I指令集里的lr.w/sc.w加上fence指令，就完全能支撑C++11的所有并发功能，这也验证了CAS确实不是必需的。

内容来源于stack exchange