C++如何理解release和acquire语义-C++-PHP中文网

release和acquire语义通过建立“同步-伴随”关系确保多线程下数据的可见性与操作顺序，生产者用release发布数据，消费者用acquire获取数据，二者协同保证在性能优化的同时避免乱序执行导致的数据不一致问题。

c++如何理解release和acquire语义

C++中理解

release

登录后复制

和

acquire

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语义，核心在于它们是多线程编程中用于内存排序的两种特定原子操作，旨在确保不同线程间共享数据的可见性和操作顺序，从而建立起明确的“happens-before”关系，避免编译器和CPU的乱序执行导致的数据不一致问题。简单来说，

release

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操作确保其之前的所有内存写入对其他线程可见，而

acquire

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操作则确保能看到由某个

release

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操作所同步的线程的所有写入。

解决方案

在C++11及更高版本中，

std::atomic

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类型及其成员函数允许我们指定内存序（memory order），其中

std::memory_order_release

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和

std::memory_order_acquire

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是解决特定同步问题的关键。它们通常成对出现，共同构建一个“同步点”。

当一个线程执行一个带有

std::memory_order_release

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语义的写入操作（例如

atomic_var.store(value, std::memory_order_release);

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）时，它会确保该线程在该写入操作之前进行的所有内存写入，都将在该写入操作本身对其他线程可见之前，对其他线程可见。这就像是“发布”了一批修改。

而另一个线程执行一个带有

std::memory_order_acquire

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语义的读取操作（例如

value = atomic_var.load(std::memory_order_acquire);

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）时，如果它读取到的值是由一个

release

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操作写入的，那么它会确保该线程在该读取操作之后进行的所有内存读取，都能看到那个

release

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操作之前的所有内存写入。这就像是“获取”了那些被发布修改。

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这两者结合起来，就形成了一个“同步-伴随”（synchronizes-with）关系。

release

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操作同步于（synchronizes with）成功读取其值的

acquire

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操作。这意味着，在执行

release

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操作的线程中，所有在

release

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操作之前发生的内存写入，都将“happens-before”于在执行

acquire

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操作的线程中，所有在

acquire

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操作之后发生的内存读取。这种机制比完全顺序一致性（

std::memory_order_seq_cst

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）更轻量，提供了足够的同步保证，同时允许编译器和CPU进行更多的优化。

为什么C++多线程编程需要release和acquire语义？

说实话，刚接触多线程时，很多人可能会觉得直接用锁（

std::mutex

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）或者干脆所有原子操作都用默认的

std::memory_order_seq_cst

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不就得了？简单粗暴，不容易出错。但随着对并发编程的深入，你会发现性能优化是绕不开的话题。处理器和编译器为了提高效率，会进行指令重排和内存访问优化，这在单线程环境下通常是无感的，但在多线程环境下，如果没有明确的内存序指示，就可能导致一个线程的写入对另一个线程不可见，或者看到“旧”的数据，甚至看到乱序的数据，从而引发难以追踪的并发bug。

release

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和

acquire

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语义正是为了在性能和正确性之间找到一个平衡点。它们提供了一种比完全顺序一致性更细粒度的控制。想象一下，你有一个生产者线程不断生成数据，一个消费者线程不断处理数据。生产者在数据准备好后，需要“告诉”消费者数据已就绪。如果只是简单地设置一个布尔标志位，没有内存序保证，那么消费者可能在看到标志位为真时，却读取到未完全写入的数据，或者更糟的是，它看到标志位为真，但处理器还没有将之前的数据写入缓存或主存，导致消费者读取到的是旧数据。

release

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和

acquire

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就是为了解决这种“数据可见性”和“操作顺序”的难题，它明确告诉编译器和CPU：这里是一个同步点，不能随意重排跨越这个点的内存操作。在我看来，理解它们是深入并发编程的必经之路，虽然有点绕，但一旦搞清楚，很多并发模式的实现都会变得清晰起来。

release和acquire是如何工作的？一个实际例子

我们用一个经典的生产者-消费者场景来具体说明

release

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和

acquire

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是如何协同工作的。

假设我们有一个全局变量

data

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和一个标志位

ready

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：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <atomic>
#include <vector>

std::vector<int> shared_data; // 共享数据
std::atomic<bool> ready(false); // 标志位，表示数据是否准备好

void producer() {
    // 生产者准备数据
    shared_data.push_back(10);
    shared_data.push_back(20);
    shared_data.push_back(30);
    // ... 更多数据操作

    // 数据准备完毕，通过release语义设置标志位
    // 这确保了所有对shared_data的写入，在ready变为true之前，都对其他线程可见。
    ready.store(true, std::memory_order_release); 
    std::cout << "Producer: Data released." << std::endl;
}

void consumer() {
    // 消费者等待数据准备好
    while (!ready.load(std::memory_order_acquire)) {
        // 使用acquire语义加载ready标志位
        // 如果ready为true，则保证能看到producer线程在release操作前对shared_data的所有写入。
        std::this_thread::yield(); // 避免忙等待
    }

    // 数据已准备好，现在可以安全地访问shared_data
    std::cout << "Consumer: Data acquired. Content: ";
    for (int val : shared_data) {
        std::cout << val << " ";
    }
    std::cout << std::endl;
}

int main() {
    std::thread p(producer);
    std::thread c(consumer);

    p.join();
    c.join();

    return 0;
}

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在这个例子中：

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生产者线程：
- 它首先对
```
shared_data
```
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  进行了多次写入操作。
- 然后，它执行
```
ready.store(true, std::memory_order_release);
```
  登录后复制
  。这个
```
release
```
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  操作的作用是：它确保了所有在
```
store
```
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  操作之前对
```
shared_data
```
  登录后复制
  进行的写入操作，都将在
```
ready
```
  登录后复制
  标志位本身被其他线程看到为
```
true
```
  登录后复制
  之前，对这些线程可见。换句话说，它“发布”了
```
shared_data
```
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  的最新状态。
消费者线程：
- 它在一个循环中不断地执行
```
ready.load(std::memory_order_acquire);
```
  登录后复制
  来检查
```
ready
```
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  标志位。
- 当
```
ready.load()
```
  登录后复制
  返回
```
true
```
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  时，并且这个
```
true
```
  登录后复制
  是由生产者的
```
release
```
  登录后复制
  操作写入的，那么
```
acquire
```
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  操作就会建立一个同步关系。这个
```
acquire
```
  登录后复制
  操作保证了：所有在
```
load
```
  登录后复制
  操作之后对
```
shared_data
```
  登录后复制
  进行的读取操作，都将能看到生产者线程在
```
release
```
  登录后复制
  操作之前对
```
shared_data
```
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  进行的所有写入。

如果没有

release

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和

acquire

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语义，例如都使用

std::memory_order_relaxed

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，那么消费者线程即使读到了

ready

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为

true

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，也无法保证它能看到

shared_data

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的最新值，因为它可能看到的是旧的、未初始化的数据，或者部分更新的数据。

release

登录后复制

和

acquire

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就像是一对约定好的信号灯，一个亮起表示“我准备好了，所有东西都到位了”，另一个看到亮起后表示“好的，我可以看到你准备的所有东西了”。

release和acquire与其他内存序的区别和选择

C++11的内存序提供了多种粒度，

release

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和

acquire

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只是其中一种。理解它们与其他内存序的差异，有助于我们在性能和正确性之间做出最佳选择。

```
std::memory_order_relaxed
```
登录后复制
：这是最弱的内存序。它只保证原子操作本身的原子性，不提供任何内存排序保证。也就是说，编译器和CPU可以随意重排
```
relaxed
```
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操作前后的其他内存访问。它适用于那些只需要原子性，而不需要任何跨线程同步的计数器或标志位，例如统计某个事件发生的次数，但不在乎其他线程何时看到这个计数值。性能最高，但最容易出错。
```
std::memory_order_seq_cst
```
登录后复制
：这是最强的内存序，也是默认的内存序。它不仅保证原子操作的原子性，还确保所有
```
seq_cst
```
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操作在所有线程中都以单一的、全局一致的顺序执行。这意味着它提供了最直观的“顺序一致性”模型，就像所有操作都发生在一个单核处理器上一样。它能防止所有类型的重排，但通常也是性能开销最大的。如果你不确定该用哪种内存序，或者对内存模型不够熟悉，用
```
seq_cst
```
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通常是最安全的，但可能会牺牲一些性能。
```
std::memory_order_release
```
登录后复制
和
std::memory_order_acquire
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：它们提供了一种中间的、更精细的同步机制。
```
release
```
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确保其之前的写入对其他线程可见，
```
acquire
```
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确保其之后的读取能看到同步的写入。它们只在特定的同步点提供排序保证，允许在其他地方进行重排，从而在保持正确性的同时，提供了比
```
seq_cst
```
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更好的性能。它们是构建无锁数据结构和同步原语的基石。

何时选择它们？

当你需要传递数据，并且需要确保数据在传递前已完全写入，并在接收后能完全读取时，
```
release
```
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和
```
acquire
```
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是理想选择。它们是实现生产者-消费者队列、自旋锁、一次性事件通知等模式的常用工具。
当你发现
```
seq_cst
```
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带来的性能开销过大，但
```
relaxed
```
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又不足以保证正确性时，就应该考虑
```
release
```
登录后复制
和
```
acquire
```
登录后复制
。
如果你只是需要一个计数器，而不需要其值立即对其他线程可见，或者只是一个简单的标志位，不需要同步其他数据，那么
```
relaxed
```
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可能就足够了。
如果你对内存模型理解不深，或者需要一个最简单的、全局有序的并发模型，那么
```
seq_cst
```
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仍然是一个可靠的选择。