C++的std::atomic内存序是什么_深入解析C++原子操作的六种内存顺序

内存序是C++多线程中控制原子操作前后读写重排的规则，std::memory_order定义了六种：relaxed仅保证原子性；acquire与release配对实现线程间同步；consume用于数据依赖但实际支持弱；acq_rel兼具acquire和release语义；seq_cst提供最严格的顺序一致性。

在C++多线程编程中，std::atomic 是实现无锁并发的关键工具。而原子操作的内存序（memory order）决定了这些操作如何与其它内存访问交互，直接影响程序的性能和正确性。理解六种内存序的差异，是写出高效又安全并发代码的基础。

什么是内存序？

现代CPU和编译器为了提升性能，会进行指令重排（reordering）。虽然单线程下这种重排不会影响结果，但在多线程环境中可能导致不可预期的行为。内存序就是用来约束这种重排的语义规则，控制原子操作前后的读写行为能否被重排，以及对其他线程可见的顺序。

C++标准库定义了六种内存序，它们都作为 std::memory_order 枚举值存在：

• memory_order_relaxed
• memory_order_consume
• memory_order_acquire
• memory_order_release
• memory_order_acq_rel
• memory_order_seq_cst

六种内存序详解

1. memory_order_relaxed：最弱约束

只保证该原子操作本身的原子性，不提供任何同步或顺序约束。读写可以被任意重排。

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适用于计数器等不需要同步其他数据的场景。

示例：

std::atomic counter{0};

void increment() {
    counter.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed); // 只保证加法原子
}

多个线程调用 increment 安全，但不能依赖此操作同步其他变量。

2. memory_order_acquire / release：经典的同步配对

这两个通常成对使用，实现线程间的“释放-获取”同步（release-acquire synchronization）。

memory_order_release 用于写操作（store），确保该操作之前的所有读写不会被重排到它之后。

memory_order_acquire 用于读操作（load），确保该操作之后的所有读写不会被重排到它之前。

典型用法：一个线程发布数据，另一个线程获取并使用。

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

// 线程1：准备数据
data = 42;
ready.store(true, std::memory_order_release);

// 线程2：等待并使用数据
while (!ready.load(std::memory_order_acquire)) {
    // 等待
}
// 此处能安全读取 data == 42

因为 acquire 和 release 在同一个原子变量上配对，线程2能看到线程1在 store 前的所有写入。

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3. memory_order_consume：依赖顺序（慎用）

比 acquire 更弱，仅对“数据依赖”的读写进行同步。即：只有依赖该原子变量值的后续操作才不会被重排。

例如指针解引用：

std::atomic head{nullptr};

// 线程1
auto node = new Node{42};
head.store(node, std::memory_order_release);

// 线程2
auto p = head.load(std::memory_order_consume);
if (p) {
    int value = p->data; // 这个访问不会被重排到 load 之前
}

但由于编译器和处理器对“依赖链”判断复杂，实际支持有限，多数编译器将其视为 acquire。目前建议避免使用。

4. memory_order_acq_rel：同时具备 acquire 和 release

用于读-修改-写操作（如 fetch_add、exchange），表示该操作既是 acquire 又是 release。

常见于互斥锁或信号量的实现。

std::atomic sem{1};

void wait() {
    while (sem.fetch_sub(1, std::memory_order_acq_rel) <= 0) {
        sem.fetch_add(1, std::memory_order_release); // 补回
        // 等待
    }
}

fetch_sub 同时具有 release（防止前面的操作后移）和 acquire（防止后面的操作前移）语义。

5. memory_order_seq_cst：默认最强顺序

sequential consistency，顺序一致性。这是所有原子操作的默认内存序。

它在 acquire/release 的基础上，额外保证所有线程看到的原子操作顺序是一致的，形成一个全局唯一的操作序列。

最安全，但也最慢，因为需要跨CPU协调顺序。

ready.store(true, std::memory_order_seq_cst); // 默认可省略

除非有性能要求，否则使用 seq_cst 是最稳妥的选择。

如何选择合适的内存序？

• 只需原子性，无同步需求 → relaxed
• 线程间传递数据 → release + acquire
• 需要全局顺序一致 → seq_cst（默认）
• RMW 操作需同步 → acq_rel
• consume 因实现问题，基本不用

原则：从最宽松开始，只在必要时增强约束。错误地使用弱内存序会导致数据竞争和未定义行为。

基本上就这些。掌握这六种内存序的本质区别，就能在性能与正确性之间做出合理权衡。