為什么 memory_order_relaxed 在 x86 上使用原子（鎖定前綴）指令？

Question

在 Visual C++ 2013 上，當我編譯以下代碼時

#include <atomic>

int main()
{
    std::atomic<int> v(2);
    return v.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed);
}

我在 x86 上取回以下程序集：

51               push        ecx  
B8 02 00 00 00   mov         eax,2 
8D 0C 24         lea         ecx,[esp] 
87 01            xchg        eax,dword ptr [ecx] 
B8 01 00 00 00   mov         eax,1 
F0 0F C1 01      lock xadd   dword ptr [ecx],eax 
59               pop         ecx  
C3               ret              

同樣在 x64 上：

B8 02 00 00 00    mov         eax,2 
87 44 24 08       xchg        eax,dword ptr [rsp+8] 
B8 01 00 00 00    mov         eax,1 
F0 0F C1 44 24 08 lock xadd   dword ptr [rsp+8],eax 
C3                ret              

我只是不明白：為什么一個int變量的寬松增量需要一個lock前綴？

這是有原因的，還是他們根本不包括刪除它的優化？

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^{* 我使用/O2和/NoDefaultLib來修剪它並擺脫不必要的 C 運行時代碼，但這與問題無關。}

Answer 1

因為它仍然需要一個鎖才能成為原子； 即使使用memory_order_relaxed ，遞增/遞減的要求也太嚴格而不能無鎖。

想象一下沒有鎖的情況。

v = 0;

然后我們生成 100 個線程，每個線程都使用以下命令：

v++;

然后你等待所有線程完成，你希望 v 是什么？ 不幸的是，它可能不是 100。假設值 v=23 是由一個線程加載的，並且在創建 24 之前，另一個線程也加載了 23，然后也寫出了 24。 所以線程實際上相互否定。 這是因為增量本身不是原子的。 當然，加載、存儲、添加本身可能是原子的，但遞增是多個步驟，因此它不是原子的。

但是對於 std::atomic，無論std::memory_order設置如何，所有操作都是原子的。 唯一的問題是它們將按什么順序發生。 memory_order_relaxed仍然保證原子性，它可能會因為它附近發生的任何其他事情而亂序，即使對相同的值進行操作。

Answer 2

原子操作，即使是寬松的排序，仍然必須是原子的。

即使當前 CPU 上的某些操作是沒有lock前綴的原子操作（提示：它們不是，由於多核緩存），也不能保證未來的 CPU 可以使用。

僅僅因為您想從二進制文件中優化一個字節，依賴於不屬於程序集規范的一部分（因此不能保證在未來的 x86_64 中保留）架構）

當然，在這種情況下，多核系統很普遍，因此您實際上需要一個lock前綴才能在當前 CPU 上工作。 請參閱“int num”的 num++ 可以是原子的嗎？

Answer 3

首先，作為參考，考慮一個正常的分配。 它在 Intel/64 上生成以下內容：

// v = 10;
000000014000E0D0  mov         eax,0Ah  
000000014000E0D5  xchg        eax,dword ptr [v (014001BCDCh)]  

然后考慮一個輕松的任務：

// v.store(10, std::memory_order_relaxed);
000000014000E0D0  mov         dword ptr [v (014001BCDCh)],0Ah 

現在， std::atomic::fetch_add()是一個讀-修改-寫操作，以“骯臟”的方式執行此操作毫無意義。 默認情況下，您根據http://en.cppreference.com/w/cpp/atomic/atomic/fetch_add獲取std::memory_order_seq_cst 。 因此，我認為，為此生成單個本機指令是有意義的。 至少在便宜的 Intel/64 上：

// v.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed)
000000014000E0D0  mov         eax,1  
000000014000E0D5  lock xadd   dword ptr [v (014001BCDCh)],eax  

畢竟，您可以通過顯式編寫編譯器必須遵守的兩個操作來實現您想要的：

// auto x = v.load(std::memory_order_relaxed);
000000014000E0D0  mov         eax,dword ptr [v (014001BCDCh)]  

// ++x;
000000014000E0D6  inc         eax  

//v.store(x, std::memory_order_relaxed);
000000014000E0D8  mov         dword ptr [v (014001BCDCh)],eax