std::memory_order_relaxed为何允许副作用重排序？

你搞错了最基础的规则边界：sequenced-before只约束单线程内的可观测行为，根本不管跨线程的内存可见顺序，这是刚接触C++内存模型的人最容易踩的坑。

先搞懂sequenced-before到底约束什么 #

你引用的所有标准条文里提到的“前序语句的所有副作用完成后才执行后续语句”，从来没有要求代码里的内存操作必须严格按书写顺序物理执行，更不要求操作对其他线程的可见顺序和代码顺序一致。

这里的“副作用完成”有非常明确的适用边界：

• 只对当前执行线程负责：后续代码只要能观测到前序操作的效果就算满足要求，比如你写了变量a，后面读a一定能拿到你写的值，规则就成立。
• 完全不要求操作效果全局可见：CPU可以把值存在私有存储缓冲区、编译器可以把值放在寄存器里，哪怕几百个周期之后才同步到共享缓存、其他线程才能看到，只要当前线程自己读值不出错，所有优化都合法。
• 只要单线程视角下的执行结果和代码严格按顺序跑的结果完全一致（也就是符合as-if规则），编译器、CPU可以任意调整指令实际执行顺序、调整内存操作对外的可见顺序。

举个最通俗的例子：你先后写两个完全不相关的普通变量a=1;b=2;，编译器完全可以把b=2的汇编指令放到a=1前面，只要你自己线程后面读a是1、读b是2，就一点不违反标准。

回到示例，重排完全不违反单线程规则 #

我们拆解线程2的两个操作：

• C：r2 = x.load(std::memory_order_relaxed)：读共享变量x，把结果写入线程私有栈变量r2
• D：y.store(42, std::memory_order_relaxed)：写共享变量y为42

这两个操作没有任何数据依赖：C读的是x、写的是r2，D写的是y，三个变量完全不重叠。不管你先执行C还是先执行D，线程2自己观测到的结果不会有任何区别：

• 按代码顺序先C后D：r2拿到x的值，再写y=42，后续线程2读r2是x的加载值、读y是42
• 把D挪到C前面先执行：先写y=42，再读x把值写到r2，后续线程2读r2还是x的加载值、读y还是42

两种执行顺序对线程2自己来说完全等价，根本不存在“违反sequenced-before”的问题。你觉得矛盾，本质是自行给sequenced-before加了一条标准从来没提过的规则：“前序操作必须比后序操作先对其他线程可见”。

你提到的strongly happens-before规则也有适用前提：跨线程的strongly happens-before关系必须通过同步操作（比如锁、acquire-release操作对、seq_cst原子操作的全局顺序）才能建立。同一个线程内的两个relaxed原子操作就算有sequenced-before关系，这个顺序也不会传递给其他线程，其他线程完全可以观测到两个操作的顺序反过来。

r1 == r2 == 42的合法执行时序 #

这个结果的出现根本不需要打破任何单线程顺序保证，一种完全符合标准的执行流如下：

1. 线程2先执行D操作：把y=42的写请求发送到缓存系统，这个写操作很快通过缓存一致性协议传播到了线程1的本地缓存
2. 线程1执行A操作：读y，刚好拿到已经传播过来的42，写入自己的私有变量r1
3. 线程1执行B操作：把r1的值42写入x，这个写请求也很快传播到了线程2的本地缓存
4. 线程2执行C操作：读x，刚好拿到线程1写入的42，写入自己的私有变量r2

整个过程两个线程的单线程逻辑完全自洽：

• 线程1严格按A→B顺序执行，先读y拿42写r1，再写x=42，自己观测不到任何异常
• 线程2虽然先把y的写请求发出去了，但它在执行C之前从来没有读过y，根本不会观测到“D在C前面执行”的痕迹；执行C的时候也确实正确拿到了x的值写入r2，后续用r2的时候也不会拿到错误值，完全符合单线程语义要求。

补充：为什么线程1的A和B不能重排 #

这俩操作有明确的数据依赖：B写入x的值直接来自A加载y得到的r1。如果把B挪到A前面，r1还没被赋值，写x的值就完全不对了，会直接改变单线程的执行结果，违反as-if规则，所以不管用什么内存序，这种有明确依赖的操作都不会被重排。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者senor-tomate