仅被单线程读取、另一线程负责读写的变量是否需要同步？

问题a解答 #

• 明确需要同步机制，仅读+仅写的线程组合同样存在数据一致性风险，核心问题来自两个维度：
  • 可见性问题：现代CPU都是多核架构，每个核心有独立的L1、L2缓存，写线程修改的变量可能暂时只存在所属核心的私有缓存中，没有主动刷回主存的话，跑在其他核心上的读线程读到的永远是旧值。
  • 指令重排与编译优化问题：编译器、CPU都可能对指令执行顺序做重排优化，只要单线程执行逻辑不变就会被判定为合法。比如读线程的代码可能被编译器优化为只在第一次读取变量时读内存，后续直接复用寄存器里的缓存值，永远不会感知到变量被修改。举个常见的例子，C/C++中如果全局标记位没有加volatile或者std::atomic修饰，写线程修改标记位后，跑死循环判断标记位的读线程永远不会退出。
• 最低成本的同步方案可以用原子变量（比如Java的AtomicInteger、C++的std::atomic），不需要加重量级锁就能保证可见性和操作原子性。

问题b解答 #

• 操作系统调度两个线程时，完全可能出现两个线程同时读写同一块内存地址的情况，硬件/总线层面不会禁止这类操作，软件开发者必须关注，结论和变量大小直接相关：
  • 对于对齐的基础类型（比如32位系统上对齐的4字节int、1字节char），硬件层面会保证读写操作的原子性：读操作要么拿到完全修改前的旧值，要么拿到完全修改后的新值，不会出现半新半旧的“数据撕裂”情况，但这依然解决不了可见性和指令重排的问题，还是需要做同步。
  • 对于大型struct这类多字节、可能跨缓存行的复合类型，硬件不会保证整体读写的原子性：写线程对struct的修改是分多次内存写入完成的，读线程也会分多次读取，极有可能读到部分字段更新、部分字段没更新的非法中间状态，这种场景必须用锁等同步机制保证读写互斥才能拿到合法数据。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Physician