fetch_sub 和 memory_order_relaxed 用于原子引用计数？

Posted 2023-02-17

【中文标题】fetch_sub 和 memory_order_relaxed 用于原子引用计数？

【英文标题】：fetch_sub with memory_order_relaxed for atomic reference counting?

【发布时间】：2016-07-19 02:59:01

【问题描述】：

std::atomic<int> cnt = 2;

thread 1:
    doFoo();
    if (cnt.fetch_sub(1, std::memory_order_relaxed) == 1) 
      doBazz();
    

thread 2:
    doBar();
    if (cnt.fetch_sub(1, std::memory_order_relaxed) == 1) 
        doBazz();
    

我们能保证doFoo() 和doBar() 总是在doBazz() 之前发生吗？

【问题讨论】：

您正在使用 memory_order_relaxed，这意味着没有执行内存排序。没有这样的保证。

【参考方案1】：

如果线程 2 调用 doBazz()，则可以保证 doBazz() 看到 doBar() 的所有副作用，因为它们在同一个线程上运行并且有 sequenced-before 它们之间的关系。但不能保证它会看到 doFoo() 的副作用，或者根本不会调用 doFoo()。这是因为doFoo() 和doBazz() 之间没有形成happens-before 关系。如果 thread 1 在访问 cnt 时使用 std::memory_order_release 减少 cnt 并且 thread 2 使用 std::memory_order_acquire，则将形成这种关系，这将在两者之间创建一个同步点他们。

线程1调用doBazz()的情况是对称的。

因此，在两个线程中使用cnt.fetch_sub(1, std::memory_order_acq_rel)（std::memory_order_acq_rel 结合了std::memory_order_acquire 和std::memory_order_release）将提供您所询问的保证。

我们也可以使用cnt.fetch_sub(1, std::memory_order_release) 并在调用doBazz() 之前调用std::atomic_thread_fence(std::memory_order_acquire) 来达到同样的效果。

【参考方案2】：

您显示的代码中根本没有内存排序，因此保证不成立。但是，通过将fetch_sub 设为release sequence 的一部分，可以在您所在的位置使用轻松的排序并使其正常工作：

std::atomic<int> cnt0;
cnt.store(2, std::memory_order_release); // initiate release sequence (RS)

//thread 1:
    doFoo();
    if (cnt.fetch_sub(1, std::memory_order_relaxed) == 1)  // continue RS
        std::atomic_thread_fence(std::memory_order_acquire); // synchronizes with RS
        doBazz();
    

//thread 2:
    doBar();
    if (cnt.fetch_sub(1, std::memory_order_relaxed) == 1)  // continue RS
        std::atomic_thread_fence(std::memory_order_acquire); // synchronizes with RS
        doBazz();
    

或

void doBazz();

std::atomic<int> cnt0;
cnt.store(2, std::memory_order_release); // initiate release sequence (RS)

//thread 1:
    doFoo();
    if (cnt.fetch_sub(1, std::memory_order_relaxed) == 1)  // continue RS
        doBazz();
    

//thread 2:
    doBar();
    if (cnt.fetch_sub(1, std::memory_order_relaxed) == 1)  // continue RS
        doBazz();
    

void doBazz() 
    std::atomic_thread_fence(std::memory_order_acquire); // synchronizes with RS
    // ...

这些保证doFoo() 和doBar() 总是在doBazz() 之前发生。

【讨论】：

Acquire 不会阻止代码在操作下方移动。

我不明白你是如何防止这种情况发生的。

@2501 : 在 C++ 内存模型中，每个非松弛原子操作都充当编译器屏障。

这是不正确的。 Acquire 仅充当阻止在其上方移动代码的屏障。反之亦然。你需要一个完整的屏障来防止代码双向移动。

是的，引用是正确的，但并非每个原子操作都充当完整屏障。这是您没有看到的相关差异。获取操作具有我之前引用的特定语义。是障碍吗？是的。它是一个完整的障碍吗？不，请阅读：preshing.com/20120913/acquire-and-release-semantics/… 并观看：channel9.msdn.com/Shows/Going+Deep/…

【参考方案3】：

http://en.cppreference.com/w/cpp/atomic/memory_order

即使使用宽松的内存模型，也不允许凭空产生的值循环依赖于它们自己的计算，例如，x 和 y 最初为零，

// Thread 1:
r1 = x.load(memory_order_relaxed);
if (r1 == 42) y.store(r1, memory_order_relaxed);
// Thread 2:
r2 = y.load(memory_order_relaxed);
if (r2 == 42) x.store(42, memory_order_relaxed);

不允许产生 r1 == r2 == 42，因为仅当存储到 x 存储 42 时才可能将 42 存储到 y，这循环依赖于存储到 y 存储 42。请注意，直到 C++ 14，这在技术上是规范允许的，但不推荐给实现者。

即使使用 memory_order_relaxed，仍然存在一些不允许的执行顺序。在我看来，

cnt.fetch_sub(1, std::memory_order_relaxed) == 2

应该发生在

cnt.fetch_sub(1, std::memory_order_relaxed) == 1

对吗？因此 doFoo() 和 doBar() 都应该在 doBazz() 之前发生。