volatile 和 mutex 是否确保 memory 在 C++ 中排序？

Question

假设我有两个变量：

volatile int a = 0;
int b = 0;

它们在两个线程之间共享。 现在在第一个线程中，我按下一个顺序修改这些变量：

a = 1;
b = 2;

在第二个线程我做：

while (true) {
    if (b == 2)
        assert(a == 1);
}

是否保证第二个线程永远不会失败？ 这意味着第二个线程以与第一个线程写入的顺序相同的顺序读出a和b的写入值？

如您所见，我制作a易失性和b非易失性。 所以我的问题是 volatile 修饰符是否对 memory 写入的顺序做出任何保证？ 如果我让b也不volatile ，它会改善情况吗？

或者保证顺序的唯一方法是对a和b都使用std::atomic<int> ？

std::mutex呢？ 如果我通过两个线程上的单个共享互斥锁来保护两个变量并使用非易失性变量，它将有助于 memory 订购吗？ 即，如果我接下来做（ a和b都是非易失性的）：

int a = 0, b = 0; // shared
std::mutex m; // shared
// .... In Thread 1 ....
{
    std::unique_lock<std::mutex> l(m);
    a = 1; b = 2;
}
// .... In Thread 2 ....
while (true) {
    std::unique_lock<std::mutex> l(m);
    assert(a == 0 && b == 0 || a == 1 && b == 2);
}

上述对非易失性a和b变量使用互斥锁的解决方案是否保证断言永远不会失败，这意味着a和b都为 0 或同时设置为正确的值 1 和 2？ 有时会不会发生在释放互斥锁后，其他线程和 CPU 内核a和b不能为 1 和 2？ 例如， a a被延迟，然后其他核心看到a等于 0 和b等于 2，会发生这种情况吗？

即互斥锁是否保证 memory 顺序和缓存内核之间的传播？ 也许获取/释放互斥体会刷新缓存或使用其他一些内存排序执行技术？

或者我必须对所有共享变量使用std::atomic ？

Answer 1

是否保证第二个线程永远不会失败？ 这意味着第二个线程以与第一个线程写入的顺序相同的顺序读出 a 和 b 的写入值？

不，事实上，根本无法保证任何事情。 从一个线程异步写入（非原子）变量并从另一个线程读取它们会调用未定义的行为，这意味着就编译器而言，任何事情都可能发生，因为程序已损坏。

所以我的问题是 volatile 修饰符是否对 memory 写入的顺序做出任何保证？

在处理多个线程时，您必须注意两种重新排序：

1. 通过编译器的优化器在编译时重新排序指令。 （例如，它可能会将您的代码更改为b = 2; a = 1;作为使您的程序更高效的一部分，因为它允许在“as-if”规则下这样做）
2. CPU 的指令解码器在运行时对生成的操作码进行动态重新排序（也出于性能原因）。

volatile关键字可以帮助您处理类型 (1)，但它不能（或至少不）对类型 (2) 做任何事情，因此它最终不足以用于使多线程程序正常工作。 volatile也根本无法帮助您解决缓存一致性问题。 对于多线程，您需要比volatile提供的更强大的魔法（这是有道理的，因为volatile从未打算成为多线程构造——它旨在用于更简单的用例，例如读取内存映射的设备寄存器）

或者保证顺序的唯一方法是对 a 和 b 都使用 std::atomic？ std::mutex 呢？

这两种方法中的任何一种都足以获得您正在寻找的写入顺序保证。 不过，只有互斥锁可以提供更一般的一致性保证（见下文）。

互斥量是否保证 memory 顺序和缓存内核之间的传播？

是的——只要每个线程在读取或写入共享变量之前锁定互斥锁（然后解锁互斥锁），那么每个线程都会在一致/一致的 state 中看到共享变量。 内存顺序和缓存更新传播问题都将由互斥锁实现为您处理（假设互斥锁实现没有错误，这是当今可靠的假设）

或者我必须对所有共享变量使用 std::atomic ？

std::atomic可以工作，尽管它只保证内存写入顺序； 如果您还需要重要的一致性保证，它也无济于事。 例如，如果线程 A 需要设置两个或更多变量，并且您需要保证线程 B 要么“看到”所有变量都设置了，要么没有看到任何设置（并且永远不会看到临时 state 只有其中一些是设置），那么您将需要使用互斥锁。