编译器为何不会优化掉std::atomic<bool>的读取操作？

普通布尔变量出现优化问题的原因 #

C++ 标准默认普通非原子变量不存在多线程并发修改的场景，编译器有权在符合单线程执行逻辑的前提下做激进优化：

• 编译器会判断循环内没有修改stop变量的逻辑，因此会将stop的值一次性加载到寄存器中复用，不再重复读取内存中的值
• 更极端的优化就是你提到的，将循环提权为永久死循环，只要进入循环就再也不会检查stop的取值
  此时其他线程修改了内存中stop的值，运行循环的线程也感知不到，导致循环无法终止。

std::atomic 的核心实现逻辑 #

std::atomic是C++11引入的原子操作类型，底层从两个层面禁止了上述错误优化：

1. 编译器层面的约束 #

C++标准明确要求原子变量的读写操作属于同步操作，编译器必须严格遵守内存序规则，不能对原子操作做以下优化：

• 不能将循环内的原子load操作优化为只执行一次，每次读取都必须访问内存（或一致性缓存）获取最新值
• 不能对原子操作和其前后的内存操作做跨原子操作的指令重排
  当stop声明为std::atomic<bool>时，while (!stop)等价于每次循环都调用stop.load()读取最新值，编译器不会将这个load操作优化掉。

2. 硬件层面的可见性保证 #

不同CPU架构下，std::atomic的读写操作会根据指定的内存序插入对应的内存屏障指令：

• x86架构下默认顺序一致性内存序会插入mfence指令
• ARM架构下会插入dmb/dsb等内存屏障指令
  这些指令会保证CPU缓存一致性，其他线程对原子变量的修改会立刻同步到所有CPU核心的缓存，不会出现读取到旧值的情况。

示例代码对比 #

普通布尔变量版本（存在优化风险）：

bool stop = false;
// 线程1
while (!stop) {
  // do something
}
// 线程2
stop = true;

原子变量版本（安全）：

std::atomic<bool> stop = false;
// 线程1
while (!stop) { // 每次循环都会执行原子load操作
  // do something
}
// 线程2
stop.store(true); // 原子写操作，保证对线程1可见

内容的提问来源于stack exchange，提问作者user6412004