C++如何使用memory_order_acq_rel优化原子操作-C++-PHP中文网

C++如何使用memory_order_acq_rel优化原子操作

P粉602998670

发布： 2025-09-18 10:47:01

原创

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memory_order_acq_rel结合acquire和release语义，适用于读-修改-写操作如自旋锁，确保线程间操作可见性与顺序性，同时允许编译器优化，提升性能。

c++如何使用memory_order_acq_rel优化原子操作

使用

memory_order_acq_rel

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可以在某些特定情况下优化C++中的原子操作，它结合了acquire和release语义，既可以防止读操作重排序到acquire操作之前，又可以防止写操作重排序到release操作之后。这对于实现某些类型的锁或同步机制来说非常有用，因为它允许线程安全地修改共享变量，并确保其他线程能够看到这些修改。

解决方案

memory_order_acq_rel

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主要用于读-修改-写（read-modify-write, RMW）操作，例如

fetch_add

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，

fetch_sub

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，以及比较交换操作

compare_exchange_weak/strong

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。它确保了原子操作的可见性和顺序性，同时允许编译器进行一些优化，只要不违反acquire和release语义即可。

考虑一个简单的例子：一个自旋锁的实现。

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

class SpinLock {
    std::atomic<bool> locked = false;

public:
    void lock() {
        while (locked.exchange(true, std::memory_order_acq_rel));
    }

    void unlock() {
        locked.store(false, std::memory_order_release);
    }
};

SpinLock lock;
int shared_data = 0;

void increment() {
    for (int i = 0; i < 100000; ++i) {
        lock.lock();
        shared_data++;
        lock.unlock();
    }
}

int main() {
    std::thread t1(increment);
    std::thread t2(increment);

    t1.join();
    t2.join();

    std::cout << "Shared data: " << shared_data << std::endl;
    return 0;
}

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在这个例子中，

locked.exchange(true, std::memory_order_acq_rel)

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尝试原子地将

locked

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设置为

true

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，并返回之前的值。

memory_order_acq_rel

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保证了如果

exchange

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成功（即之前的值是

false

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），那么当前线程获取锁，并且所有在锁被释放之前发生的写操作对当前线程可见。

unlock

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使用

memory_order_release

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来保证所有在解锁之前发生的写操作对其他线程可见。

compare_exchange_weak

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和

compare_exchange_strong

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也可以使用

memory_order_acq_rel

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。例如：

std::atomic<int> counter(0);

void increment_counter() {
    int expected = counter.load(std::memory_order_relaxed);
    while (!counter.compare_exchange_weak(expected, expected + 1, std::memory_order_acq_rel, std::memory_order_relaxed));
}

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这里，

compare_exchange_weak

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尝试原子地将

counter

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从

expected

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修改为

expected + 1

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。如果成功，

memory_order_acq_rel

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确保了操作的可见性和顺序性。如果失败，

expected

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会被更新为

counter

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的当前值，并使用

memory_order_relaxed

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，因为它只需要保证原子性，而不需要保证顺序性。

使用

memory_order_acq_rel

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的优势在于，它允许编译器在不违反acquire和release语义的前提下进行一些优化，从而提高性能。但是，它也需要开发者仔细考虑内存顺序，以确保程序的正确性。错误的使用可能导致数据竞争或死锁。

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memory_order_acq_rel

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并非万能的，在某些情况下，使用更强的内存顺序（如

memory_order_seq_cst

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）可能是必要的，以确保程序的正确性。选择合适的内存顺序需要在性能和正确性之间进行权衡。

为什么选择

memory_order_acq_rel

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而不是更强的顺序？

更强的内存顺序，比如

memory_order_seq_cst

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(顺序一致性)，提供了最强的同步保证，但通常也伴随着最高的性能开销。

memory_order_acq_rel

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允许在特定情况下进行优化，因为它只在必要时强制排序。例如，在自旋锁的实现中，我们只需要确保锁的获取和释放操作是同步的，而不需要对所有其他操作都强制排序。使用

memory_order_seq_cst

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会导致所有原子操作都按照全局唯一的顺序执行，这会限制编译器的优化，并可能导致性能下降。

memory_order_acq_rel

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通过只对锁的获取和释放操作强制排序，允许编译器对其他操作进行更多的优化，从而提高性能。当然，这也要求开发者更加小心地处理内存顺序，以确保程序的正确性。

如何避免在使用

memory_order_acq_rel

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时出现错误？

理解 Acquire-Release 语义： 确保你完全理解 acquire 和 release 语义的含义，以及它们如何影响内存顺序。 Acquire 操作确保在原子操作之后的所有读操作都能看到原子操作之前的所有写操作。 Release 操作确保在原子操作之前的所有写操作对其他线程可见。
仔细分析数据依赖关系： 仔细分析你的代码，确定哪些操作需要同步，以及哪些操作可以安全地进行重排序。只有在真正需要同步的情况下才使用
```
memory_order_acq_rel
```
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。
使用内存屏障： 在某些情况下，可能需要显式地使用内存屏障来强制排序。内存屏障可以确保特定的操作按照预期的顺序执行，即使编译器或 CPU 试图对它们进行重排序。
测试和验证： 使用各种测试和验证技术来确保你的代码在多线程环境下能够正确运行。这包括单元测试、集成测试和压力测试。使用线程 санитайзер (ThreadSanitizer) 等工具可以帮助检测数据竞争和死锁。
代码审查： 让其他开发者审查你的代码，以帮助发现潜在的问题。代码审查可以帮助你发现你可能忽略的错误，并提供不同的视角。

memory_order_acq_rel

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在哪些场景下不适用？

虽然

memory_order_acq_rel

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在很多情况下可以提高性能，但它并不适用于所有场景。以下是一些

memory_order_acq_rel

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不适用的场景：

需要全局顺序一致性： 如果你的程序需要所有线程都按照相同的顺序看到所有原子操作，那么
```
memory_order_acq_rel
```
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就不适用。在这种情况下，应该使用
```
memory_order_seq_cst
```
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。
复杂的依赖关系： 如果你的程序中存在复杂的依赖关系，例如多个线程之间需要进行复杂的同步，那么使用
```
memory_order_acq_rel
```
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可能会导致难以调试的错误。在这种情况下，应该使用更强的内存顺序，或者考虑使用更高级的同步机制，例如互斥锁或条件变量。
非原子操作：
```
memory_order_acq_rel
```
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只能用于原子操作。如果你的程序中包含非原子操作，那么使用
```
memory_order_acq_rel
```
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无法保证正确的同步。在这种情况下，应该使用互斥锁或其他同步机制来保护非原子操作。
缺乏理解： 如果你对 acquire-release 语义没有深入的理解，那么使用
```
memory_order_acq_rel
```
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可能会导致错误。在这种情况下，应该使用更简单的内存顺序，例如
```
memory_order_relaxed
```
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或
```
memory_order_seq_cst
```
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。