C++编程：内存栅栏（Memory Barrier）详解及在多线程编程中的应用

标签：std 栅栏 Barrier 编程线程内存 memory 多线程 order

文章目录

0. 引言

在多线程编程中，内存操作的顺序一致性是一个至关重要的问题。为了确保共享数据在不同线程间的正确性，我们通常会用到内存栅栏（Memory Barrier）。本文将详细讲解内存栅栏的概念、为什么需要它、其背后的本质原因，以及在不同架构（如ARM64和x86）下的表现差异。

1. 什么是内存栅栏？

内存栅栏是一种指令，用于阻止编译器或CPU对某些内存操作进行重排。通常情况下，编译器和CPU会为了优化性能对指令进行重排，但这种重排在多线程环境下可能会导致不可预测的问题。内存栅栏确保在它之前的操作完成后，才会执行它之后的操作，从而维护内存操作的顺序一致性。

在C++中，可以使用 std::atomic_thread_fence 来显式设置内存栅栏：

std::atomic_thread_fence(std::memory_order_release);
std::atomic_thread_fence(std::memory_order_acquire);

2. 为什么需要内存栅栏？本质原因是什么？

在多核处理器系统中，内存操作的顺序可能会由于编译器优化和CPU乱序执行而被改变，导致不同线程之间看到的内存状态不一致。

2.1 编译器优化

编译器在优化代码时，可能会根据数据依赖关系进行指令重排。例如，为了减少空闲周期或提高指令执行效率，编译器可能会将不相关的指令前后调整。虽然这在单线程程序中通常没有问题，但在多线程场景下，重排可能导致线程之间的数据不一致，进而产生并发问题。

2.2 CPU乱序执行

现代处理器（如x86和ARM）采用了乱序执行（Out-of-Order Execution）技术。为了更好地利用硬件资源，CPU会对指令的执行顺序进行动态调整。例如，CPU可能会在数据准备好之前执行后续指令，或将原本先执行的指令推迟。虽然这种乱序执行能提升性能，但在多核系统中，不同核心对内存操作的顺序可见性可能不同，导致线程间的数据同步问题。

3. ARM64和x86架构下的内存栅栏差异

不同架构下的内存一致性模型不同，导致它们在内存操作顺序控制方面的需求有所区别。

3.1 x86架构

x86架构采用较强的内存一致性模型（Total Store Order, TSO）。在这种模型下，写操作按顺序可见，除非显式使用更弱的内存顺序模型。x86处理器在默认情况下已经确保大部分加载和存储操作的顺序，因此需要手动使用内存栅栏的场景较少。

3.2 ARM64架构

ARM64架构采用较弱的内存一致性模型（Relaxed Memory Ordering），允许更广泛的指令重排。这种更激进的重排策略要求开发者在需要确保操作顺序时显式使用内存栅栏。例如：

StoreStore重排：后续的写操作可能在之前的写操作完成前就执行。
LoadLoad重排：后续的读操作可能在之前的读操作完成前就执行。

因此，在ARM64上，开发者必须更频繁地使用内存栅栏来确保操作顺序，特别是在涉及多线程数据同步的场景中。

4. 代码示例

以下是一个简单的生产者-消费者模型示例，通过内存栅栏确保线程之间的正确同步：

#include <atomic>
#include <iostream>
#include <thread>

std::atomic<bool> ready(false);
int data = 0;

void producer() {
    data = 42; // 写入共享数据
    std::atomic_thread_fence(std::memory_order_release); // 写入栅栏，确保 data 写入在 ready=true 之前
    ready.store(true, std::memory_order_relaxed); // 通知消费者
}

void consumer() {
    while (!ready.load(std::memory_order_relaxed)); // 等待生产者通知
    std::atomic_thread_fence(std::memory_order_acquire); // 读取栅栏，确保在读取 data 前完成 ready 的检查
    std::cout << "Data: " << data << std::endl; // 读取共享数据
}

int main() {
    std::thread t1(producer);
    std::thread t2(consumer);

    t1.join();
    t2.join();

    return 0;
}

4.1 代码解析

生产者线程：
- 先写入共享数据 data = 42;。
- 通过 std::atomic_thread_fence(std::memory_order_release); 设置写入栅栏，确保在 ready.store(true) 之前，data 已经被写入。
- 然后通过 ready.store(true, std::memory_order_relaxed); 通知消费者数据已经准备好。
消费者线程：
- 通过 while (!ready.load(std::memory_order_relaxed)); 等待生产者的通知。
- 设置读取栅栏 std::atomic_thread_fence(std::memory_order_acquire);，确保在读取 data 之前，ready 的值已经被正确读取。
- 最终输出读取的共享数据。

4.2 memory_order_release 和 memory_order_acquire解释

memory_order_release 和 memory_order_acquire 这两个命名在刚开始接触时可能会让人感到困惑。它们的命名来源与其在多线程内存操作中的作用密切相关。理解这两个命令的含义和使用场景，有助于更好地理解为什么它们被这样命名。

memory_order_release: 当一个线程执行写操作（通常是标志变量）时，使用 memory_order_release 可以确保在此之前的所有写操作都在此写操作完成前对其他线程可见。换句话说，它确保共享数据在写入之后，通知（如标志变量的更新）才会被发布出去，起到“释放”的作用。
memory_order_acquire: 当另一个线程执行读操作（通常是检查标志变量）时，使用 memory_order_acquire 可以确保在此之后的所有读操作只会在此读操作完成之后进行。它确保在检测到通知后，能够“获取”到共享数据的正确状态。

4.3 为什么是“release”和“acquire”？

可以用生产者-消费者模型来理解这些术语的含义：

生产者线程（Producer）：生产者在线程间通信时，往往需要先准备好数据（写入共享内存），再通知其他线程数据已经准备好。这种场景下，memory_order_release 让数据准备操作“释放”给其他线程，即确保通知操作之前，数据已经写入。
消费者线程（Consumer）：消费者在检查到通知（如标志变量）后，需要确保读取到的共享数据是完整且有效的。这时，memory_order_acquire 让消费者“获取”到之前所有相关的内存操作结果，即确保在读取共享数据之前，通知已经确认完成。

从这种机制可以看出，“release” 表示一个线程“释放”了资源或信息，而 “acquire” 表示另一个线程“获取”了这部分资源或信息。正是因为这两个操作的顺序性，才确保了线程间的数据同步。

5. 总结

内存栅栏是多线程编程中确保内存操作顺序一致性的重要工具。由于编译器优化和CPU乱序执行的存在，在多核处理器上，内存操作的顺序可能不符合预期。x86和ARM64架构在内存一致性模型上的差异，决定了它们对内存栅栏的需求不同。开发者应根据具体的架构和应用场景，合理使用内存栅栏，以确保程序的正确性。

标签：std,栅栏,Barrier,编程,线程,内存,memory,多线程,order
From： https://blog.csdn.net/stallion5632/article/details/141271819