C++编译器是否会按编写逻辑编译存在数据竞争的多线程代码？

• 首先可以明确：你完全不能假设C++编译器会严格按照你写的代码逻辑编译存在数据竞争的多线程代码。
  C++标准明文规定，多个线程未加同步访问同一共享变量、且至少有一个是写操作的场景属于「数据竞争」，触发未定义行为（UB）。编译器不需要对UB场景的执行结果负责，哪怕你确认硬件平台已经做了小内存访问原子性、缓存一致性的保障，也不影响编译器对这类代码做任何优化。
• 编译器的优化逻辑是基于单线程视角的「as-if规则」：只要优化后的代码在单线程下执行结果和原代码一致，就可以做任意的指令重排、变量访问消除、访问合并等操作。
  举个常见的例子：

  bool exit_flag = false;
  int payload = 0;
  
  // 线程1：准备数据后通知退出
  payload = 1024;
  exit_flag = true;
  
  // 线程2：等待通知后读取数据
  while (!exit_flag);
  std::cout << payload << std::endl;
  

  哪怕你用的硬件对bool的访问是原子的、缓存完全一致，编译器也可能做出两种完全不符合你预期的优化：
  1. 把线程1的exit_flag = true重排到payload = 1024前面，导致线程2拿到退出信号时，payload还没被赋值
  2. 把线程2中exit_flag的读取操作提升到循环外面，变成只读取一次exit_flag，如果第一次读取是false，就会直接变成死循环，哪怕其他线程已经修改了exit_flag的值
• 你提到的硬件层面的原子访问、缓存一致性保障，解决的只是CPU层面的执行问题，完全没有办法约束编译器的优化行为。哪怕你给变量加volatile修饰也没用，volatile只能禁止编译器把变量访问优化掉，不会禁止指令重排，也不会给编译器提供「这个变量是多线程共享」的明确语义，依然无法解决数据竞争的UB问题。
• 如果你想让编译器按照你的多线程逻辑生成对应代码，唯一符合C++标准的方案是使用std::atomic修饰共享变量，并且明确指定对应的内存序，这样编译器才会约束自己的优化行为，配合硬件的内存模型生成符合预期的执行代码。
• 结论：就算硬件满足你说的所有条件，存在数据竞争的非原子访问代码也不可能被编译器严格按照你写的逻辑编译，最终得到的程序也不是线程安全的。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Arthur Golubev 1985