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c++中std::memory_order的各种模式有什么区别_c++原子操作内存模型详细解析

冰火之心

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发布时间:2025-11-13 15:54:22

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来源于php中文网

原创

std::memory_order控制原子操作的内存顺序,relaxed仅保证原子性,acquire-release实现线程同步,acq_rel兼具两者,seq_cst提供全局顺序,consume已不推荐。

c++中std::memory_order的各种模式有什么区别_c++原子操作内存模型详细解析

在C++的原子操作中,std::memory_order 控制着内存访问的顺序和可见性。理解不同内存序的区别,对于编写高效且正确的并发程序至关重要。它不是单纯的性能优化选项,而是直接影响程序行为的关键机制。

memory_order_relaxed:最宽松的内存序

使用 memory_order_relaxed 的原子操作只保证该操作本身的原子性,不提供任何同步或顺序约束。

  • 适用于计数器类场景,比如递增一个统计变量。
  • 不能用于线程间同步,因为其他线程可能看不到相关内存的变化顺序。
  • 不同线程对同一变量的修改顺序对外是不确定的,但每个线程内部对该变量的修改顺序是保持的(一致性)。

例如:

std::atomic cnt{0};
// 线程中:
cnt.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed);

memory_order_acquire 与 memory_order_release:实现 acquire-release 同步

这对内存序常用于线程间的同步,比如锁、标志位等场景。

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  • memory_order_release:用在写操作(store),确保该操作之前的所有读写不会被重排到该 store 之后。
  • memory_order_acquire:用在读操作(load),确保该操作之后的所有读写不会被重排到该 load 之前。
  • 当一个线程以 release 模式写入原子变量,另一个线程以 acquire 模式读取该变量并看到该值时,就建立了“synchronizes-with”关系。

典型例子是保护共享数据:

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std::atomic ready{false};
int data = 0;

// 线程1:
data = 42;
ready.store(true, std::memory_order_release); // 保证 data 写入在 store 之前

// 线程2:
while (!ready.load(std::memory_order_acquire)) { / 等待 / }
// 此时 data 一定是 42,不会读到未定义值

memory_order_acq_rel:同时具备 acquire 和 release 语义

用于既读又写的原子操作,如 fetch_add、compare_exchange 等。

  • 它结合了 acquire 和 release 的内存屏障效果。
  • 常见于实现无锁数据结构中的中间节点操作。
  • 保证操作前的写不会被重排到操作之后,操作后的读写也不会被重排到操作之前。

memory_order_seq_cst:顺序一致性,最严格的模式

这是所有原子操作的默认内存序。

  • 提供全局唯一的操作顺序,所有线程看到的操作顺序是一致的。
  • 除了具备 acquire 和 release 的特性外,还保证所有使用 seq_cst 的操作形成一个全局总序。
  • 性能开销最大,但在需要强一致性的场景下最安全。

例如两个线程分别写不同的原子变量,使用 seq_cst 可以确保第三个线程观察到一致的顺序。

memory_order_consume:依赖顺序,已不推荐使用

这个内存序比 acquire 更弱,只对“数据依赖”的后续操作起作用。

  • 理论上可用于指针发布场景,比如发布一个结构体指针,后续通过该指针访问成员。
  • 但由于实际编译器难以优化且容易误用,C++17 起已不鼓励使用,多数情况下建议用 acquire 替代。

基本上就这些。选择合适的 memory_order 需权衡性能和正确性。relaxed 最快但限制多,seq_cst 最安全但慢,acquire-release 是常用折中方案。理解它们的核心在于掌握“重排序”和“synchronizes-with”关系。不复杂但容易忽略细节。

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