c++ - 使用显式栅栏和 std::atomic 有什么区别？

Question

假设对齐指针加载和存储在目标平台上自然是原子的，这有什么区别:

// Case 1: Dumb pointer, manual fence
int* ptr;
// ...
std::atomic_thread_fence(std::memory_order_release);
ptr = new int(-4);

这个:

// Case 2: atomic var, automatic fence
std::atomic<int*> ptr;
// ...
ptr.store(new int(-4), std::memory_order_release);

还有这个:

// Case 3: atomic var, manual fence
std::atomic<int*> ptr;
// ...
std::atomic_thread_fence(std::memory_order_release);
ptr.store(new int(-4), std::memory_order_relaxed);

我的印象是它们都是等价的，但是 Relacy检测到数据竞争 第一种情况(仅):

struct test_relacy_behaviour : public rl::test_suite<test_relacy_behaviour, 2>
{
    rl::var<std::string*> ptr;
    rl::var<int> data;

    void before()
    {
        ptr($) = nullptr;
        rl::atomic_thread_fence(rl::memory_order_seq_cst);
    }

    void thread(unsigned int id)
    {
        if (id == 0) {
            std::string* p  = new std::string("Hello");
            data($) = 42;
            rl::atomic_thread_fence(rl::memory_order_release);
            ptr($) = p;
        }
        else {
            std::string* p2 = ptr($);        // <-- Test fails here after the first thread completely finishes executing (no contention)
            rl::atomic_thread_fence(rl::memory_order_acquire);

            RL_ASSERT(!p2 || *p2 == "Hello" && data($) == 42);
        }
    }

    void after()
    {
        delete ptr($);
    }
};

我联系了 Relacy 的作者，以了解这是否是预期的行为；他说我的测试用例中确实存在数据竞争。 但是，我很难发现它；有人可以向我指出比赛是什么吗？ 最重要的是，这三种情况有什么区别？

更新:我突然想到，Relacy 可能只是在提示跨线程访问的变量的原子性(或者说缺乏原子性)......之后总而言之，它不知道我打算只在对齐整数/指针访问自然是原子的平台上使用此代码。

另一个更新:Jeff Preshing 写了一篇出色的博文 explaining the difference between explicit fences and the built-in ones (“围栏”与“操作”)。案例 2 和 3 显然不等价! (无论如何，在某些微妙的情况下。)

Answer 1

尽管各种答案都涵盖了潜在问题的部分内容和/或提供了有用的信息，但没有一个答案能正确描述所有三种情况的潜在问题。

为了在线程之间同步内存操作，使用release和acquire屏障来指定排序。
在图中，线程 1 中的内存操作 A 不能向下移动穿过(单向)释放屏障(无论这是否是对原子存储的释放操作， 或一个独立的发布围栏，然后是一个轻松的原子存储)。因此，内存操作 A 保证在原子存储之前发生。 线程 2 中的内存操作 B 也是如此，它不能向上移动越过获取屏障；因此原子负载发生在内存操作 B 之前。

原子ptr 本身提供线程间排序，基于它具有单一修改顺序的保证。一旦线程 2 看到 ptr 的值， 保证存储(以及内存操作 A)发生在加载之前。因为负载保证发生在内存操作 B 之前， 传递性规则说内存操作 A 在 B 之前发生并且同步完成。

有了这个，让我们看看你的 3 个案例。

案例 1 被破坏，因为 ptr 是一种非原子类型，在不同的线程中被修改。这是数据竞争的经典示例，它会导致未定义的行为。

情况 2 是正确的。 作为参数，使用 new 的整数分配在释放操作之前排序。这相当于:

// Case 2: atomic var, automatic fence
std::atomic<int*> ptr;
// ...
int *tmp = new int(-4);
ptr.store(tmp, std::memory_order_release);

案例 3 被破坏了，尽管是以一种微妙的方式。问题是即使 ptr 赋值在独立栅栏之后正确排序， 整数分配(new)也在栅栏之后排序，导致整数内存位置上的数据竞争。

代码相当于:

// Case 3: atomic var, manual fence
std::atomic<int*> ptr;
// ...
std::atomic_thread_fence(std::memory_order_release);

int *tmp = new int(-4);
ptr.store(tmp, std::memory_order_relaxed);

如果您将其映射到上图，则 new 运算符应该是内存操作 A 的一部分。在释放栅栏下方进行排序， 排序保证不再成立，整数分配实际上可以使用线程 2 中的内存操作 B 重新排序。 因此，线程 2 中的 load() 可能会返回垃圾或导致其他未定义的行为。