What is the Memory Model in C++11
C++11其實(shí)主要就四方面內(nèi)容，第一個(gè)是可變參數(shù)模板，第二個(gè)是右值引用，第三個(gè)是智能指針，第四個(gè)是內(nèi)存模型（Memory Model）。
相對(duì)來(lái)說(shuō)，這也是較難理解的幾個(gè)特性，分別針對(duì)于泛型編程，內(nèi)存優(yōu)化，內(nèi)存管理和并發(fā)編程。
并發(fā)編程是個(gè)非常大的模塊，而在諸多內(nèi)容底下有一個(gè)基本的概念，就是并發(fā)內(nèi)存模型（Memory Model）。
那么，什么是內(nèi)存模型？
早在之前介紹并發(fā)編程的文章中，我們就知道同步共享數(shù)據(jù)很重要。而同步可分為兩種方式：原子操作和順序約束。
原子操作是數(shù)據(jù)操作的最小單元，天生不可再分；順序約束可以協(xié)調(diào)各個(gè)線程之間數(shù)據(jù)訪問(wèn)的先后順序，避免數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)。
通常的同步方式會(huì)有兩個(gè)問(wèn)題，一是效率不夠，二是死鎖問(wèn)題。導(dǎo)致效率不夠是因?yàn)檫@些方式都是lock-based的。
當(dāng)然，若非非常在意效率，完全可以使用這些同步方式，因其簡(jiǎn)單方便且不易出錯(cuò)。
若要追求更高的效率，需要學(xué)習(xí)lock-free（無(wú)鎖）的同步方式。
內(nèi)存模型，簡(jiǎn)單地說(shuō)，是一種介于開(kāi)發(fā)者和系統(tǒng)之間的并發(fā)約定，可以無(wú)鎖地保證程序的執(zhí)行邏輯與預(yù)期一致。
這里的系統(tǒng)包括編譯器、處理器和緩存，各部分都想在自己的領(lǐng)域?qū)Τ绦蜻M(jìn)行優(yōu)化，以提高性能，而這些優(yōu)化會(huì)打亂源碼中的執(zhí)行順序。尤其是在多線程上，這些優(yōu)化會(huì)對(duì)共享數(shù)據(jù)造成巨大影響，導(dǎo)致程序的執(zhí)行結(jié)果往往不遂人意。
內(nèi)存模型，就是來(lái)解決這些優(yōu)化所帶來(lái)的問(wèn)題。主要包含三個(gè)方面：
Atomic operations（原子操作）
Partial?ordering of operations（局部執(zhí)行順序）
Visible effects of operations（操作可見(jiàn)性）
原子操作和局部執(zhí)行順序如前所述，「操作可見(jiàn)性」指的是不同線程之間操作共享變量是可見(jiàn)的。
原子數(shù)據(jù)的同步是由編譯器來(lái)保證的，而非原子數(shù)據(jù)需要我們自己來(lái)規(guī)劃順序。
2
關(guān)系定義
這里有三種關(guān)系術(shù)語(yǔ)，
sequenced-before
happens-before
synchronizes-with
3
Atomics（原子操作）
1#include?
2#include?
3#include?
4
5class?spin_lock
6{
7????std::atomic_flag?flag?=?ATOMIC_FLAG_INIT;
8public:
9????void?lock()?{?while(flag.test_and_set());?}
10
11????void?unlock()?{?flag.clear();?}
12};
13
14spin_lock?spin;
15int?g_num?=?0;
16void?work()
17{
18????spin.lock();
19
20????g_num++;
21
22????spin.unlock();
23}
24
25int?main()
26{
27????std::thread?t1(work);
28????std::thread?t2(work);
29????t1.join();
30????t2.join();
31
32????std::cout?<33
34????return?0;
35}
clear：清除操作，將值設(shè)為false。
test_and_set：將值設(shè)為true并返回之前的值。
1#include?
2#include?
3#include?
4#include?
5#include?
6#include?
7
8std::atomic<bool>?flag{false};
9std::vector<int>?shared_values;
10void?work()
11{
12????std::cout?<"waiting"?<std::endl;
13????while(!flag.load())
14????{
15????????std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(5));
16????}
17
18????shared_values[1]?=?2;
19????std::cout?<"end?of?the?work"?<std::endl;
20}
21
22void?set_value()
23{
24????shared_values?=?{?7,?8,?9?};
25????flag?=?true;
26????std::cout?<"data?prepared"?<std::endl;
27}
28
29int?main()
30{
31????std::thread?t1(work);
32????std::thread?t2(set_value);
33????t1.join();
34????t2.join();
35
36????std::copy(shared_values.begin(),?shared_values.end(),?std::ostream_iterator<int>(std::cout,?"?"));
37
38????return?0;
39}
4
Memory ordering（內(nèi)存順序）
是什么保證了上述原子操作能夠在多線程環(huán)境下同步執(zhí)行呢？
其實(shí)在所有的原子操作函數(shù)中都有一個(gè)可選參數(shù)memory_order。比如atomic
bool?std::_Atomic_bool::load(std::memory_order?_Order?=?std::memory_order_seq_cst)?const?noexcept
void?std::_Atomic_bool::store(bool?_Value,?std::memory_order?_Order?=?std::memory_order_seq_cst)?noexcept
這里的可選參數(shù)默認(rèn)為memory_order_seq_cst，所有的memory_order可選值為：
enum?memory_order?{
????memory_order_relaxed,
????memory_order_consume,
????memory_order_acquire,
????memory_order_release,
????memory_order_acq_rel,
????memory_order_seq_cst
};
這就是C++提供的如何實(shí)現(xiàn)順序約束的方式，通過(guò)指定特定的memory_order，可以實(shí)現(xiàn)前面提及的sequence-before、happens-before、synchronizes-with關(guān)系。
順序約束是我們和系統(tǒng)之間的一個(gè)約定，約定強(qiáng)度由強(qiáng)到弱可以分為三個(gè)層次：
-
Sequential consistency（順序一致性）： memory_order_seq_cst -
Acquire-release（獲取與釋放）： memory_order_consume，memory_order_acquire，memory_order_release，memory_order_acq_rel -
Relaxed（松散模型）： memory_order_relaxed
Sequential consistency保證所有操作在線程之間都有一個(gè)全局的順序，Acquire-release保證在不同線程間對(duì)于相同的原子變量的寫(xiě)和讀的操作順序，Relaxed僅保證原子的修改順序。
為何要分層次呢？
其實(shí)順序約束和系統(tǒng)優(yōu)化之間是一種零和博弈，約束越強(qiáng)，系統(tǒng)所能夠做的優(yōu)化便越少。
因此每個(gè)層次擁有效率差異，層次越低，優(yōu)化越多，效率也越高，不過(guò)掌握難度也越大。
所有的Memory order按照操作類型，又可分為三類：
Read（讀）：memory_order_acquire，memory_order_consume
Write（寫(xiě)）：memory_order_release
Read-modify-Write（讀-改-寫(xiě)）：memory_order_acq_rel，memory_order_seq_cst
Relaxed未定義同步和順序約束，所以要單獨(dú)而論。
例如load()就是Read操作，store()就是Write()操作，compare_exchange_strong就是Read-modify-Write操作。
這意味著你不能將一個(gè)Read操作的順序約束，寫(xiě)到store()上。例如，若將memory_order_acquire寫(xiě)到store()上，不會(huì)產(chǎn)生任何效果。
我們先來(lái)從默認(rèn)的Sequential consistency開(kāi)始，往往無(wú)需設(shè)置，便默認(rèn)是memory_order_seq_cst，可以寫(xiě)一個(gè)簡(jiǎn)單的生產(chǎn)者-消費(fèi)者函數(shù)：
1std::string?sc_value;
2std::atomic<bool>?ready{false};
3
4void?consumer()
5{
6????while(!ready.load())?{}
7
8????std::cout?<std::endl;
9}
10
11void?producer()
12{
13????sc_value?=?"produce?values";
14????ready?=?true;
15}
16
17int?main()
18{
19????std::thread?t1(consumer);
20????std::thread?t2(producer);
21????t1.join();
22????t2.join();
23
24????return?0;
25}
1class?spin_lock
2{
3????std::atomic_flag?flag?=?ATOMIC_FLAG_INIT;
4public:
5????spin_lock()?{}
6
7????void?lock()?{?while(flag.test_and_set(std::memory_order_acquire));?}
8
9????void?unlock()?{?flag.clear(std::memory_order_release);?}
10};
11
12spin_lock?spin;
13void?work()
14{
15????spin.lock();
16????//?do?something
17????spin.unlock();
18}
19
20int?main()
21{
22????std::thread?t1(work);
23????std::thread?t2(work);
24????t1.join();
25????t2.join();
26
27????return?0;
28}
clear()中使用了release，test_and_set()中使用了acquire，acquire和release操作之間是synchronizes-with的關(guān)系。
它的行為和之前使用sequential consistency默認(rèn)參數(shù)的自旋鎖一樣，不過(guò)要更加輕便高效。
test_and_set()操作其實(shí)是個(gè)Read-modify-Write操作，不過(guò)依舊可以使用acquire操作。release禁止了所有在它之前或之后的寫(xiě)操作亂序，acquire禁止了所有在它之前或之后的讀操作亂序。
在兩個(gè)不同的線程之間，共同訪問(wèn)同一個(gè)原子是flag，所添加的順序約束就是為了保證flag的修改順序。
我們?cè)賮?lái)看一個(gè)更清晰的例子：
1std::atomic<bool>?x{false},?y{false};
2std::atomic<int>?z{0};
3void?write()
4{
5????//?relaxed只保證修改順序
6????x.store(true,?std::memory_order_relaxed);
7
8????//?release保證在它之前的所有寫(xiě)操作順序一致
9????y.store(true,?std::memory_order_release);
10}
11
12void?read()
13{
14????//?acquire保證在它之前和之后的讀操作順序一致
15????while(!y.load(std::memory_order_acquire));
16
17????//?relaxed只保證修改順序
18????if(x.load(std::memory_order_relaxed))
19????????++z;
20}
21
22int?main()
23{
24????std::thread?t1(write);
25????std::thread?t2(read);
26????t1.join();
27????t2.join();
28
29????assert(z.load()?!=?0);
30
31????return?0;
32}
1std::vector<int>?shared_value;
2std::atomic<bool>?produced{false};
3std::atomic<bool>?consumed{false};
4
5void?producer()
6{
7????shared_value?=?{?7,?8,?9?};
8
9????//?A.?realse happens-before B
10????produced.store(true,?std::memory_order_release);
11}
12
13void?delivery()
14{
15????//?B.?acquire，A?synchronizes?with?B
16????while(!produced.load(std::memory_order_acquire));
17
18????//?B.?release happens-beforeC
19????consumed.store(true,?std::memory_order_release);
20}
21
22void?consumer()
23{
24????//?C.?acquire,?B?synchronizes?with?C
25????//?therefore,?A?happens?before?C
26????while(!consumed.load(std::memory_order_acquire));
27
28????shared_value[1]?=?2;
29}
30
31int?main()
32{
33????std::thread?t1(consumer);
34????std::thread?t2(producer);
35????std::thread?t3(delivery);
36????t1.join();
37????t2.join();
38????t3.join();
39
40????std::copy(shared_value.begin(),?shared_value.end(),?std::ostream_iterator<int>(std::cout,?"?"));
41
42????return?0;
43}
注釋已經(jīng)足夠說(shuō)明其中所以，便不細(xì)述。
5
Fences（柵欄）
看回先前的一個(gè)例子：
1std::atomic<bool>?x{false},?y{false};
2std::atomic<int>?z{0};
3void?write()
4{
5????//?relaxed只保證修改順序
6????x.store(true,?std::memory_order_relaxed);
7????y.store(true,?std::memory_order_relaxed);
8}
9
10void?read()
11{
12????//?relaxed只保證修改順序
13????while(!y.load(std::memory_order_relaxed));
14????if(x.load(std::memory_order_relaxed))
15????????++z;
16}
relaxed是最弱的內(nèi)存模型，此處全使用relaxed，順序?qū)⒉辉儆斜ＷC。
也許在read()中看到的write()操作是先y后x，那么此時(shí)read()里面的if操作便無(wú)法滿足，也就是說(shuō)，++z不會(huì)被執(zhí)行。
解決方法是結(jié)合fences來(lái)使用，只需添加兩行代碼：
1std::atomic<bool>?x{false},?y{false};
2std::atomic<int>?z{0};
3void?write()
4{
5????//?relaxed只保證修改順序
6????x.store(true,?std::memory_order_relaxed);
7
8????std::atomic_thread_fence(std::memory_order_release);
9
10????y.store(true,?std::memory_order_relaxed);
11}
12
13void?read()
14{
15????//?relaxed只保證修改順序
16????while(!y.load(std::memory_order_relaxed));
17
18????std::atomic_thread_fence(std::memory_order_acquire);
19
20????if(x.load(std::memory_order_relaxed))
21????????++z;
22}
std::atomic_thread_fence：同步線程之間的內(nèi)存訪問(wèn)。
std::atomic_signal_fence：同步同一線程上的signal handler和code running。
我們主要學(xué)習(xí)第一個(gè)線程的fence，它會(huì)阻止特定的操作穿過(guò)柵欄，約束執(zhí)行順序。
有三種類型的fences，
Full fence：阻止兩個(gè)任意操作亂序。memory_order_seq_cst或memory_order_acq_rel。
Acquire fence：阻止讀操作亂序，memory_order_acquire。
Release fence：阻止寫(xiě)操作亂序，memory_order_release。
用圖來(lái)表示為：
6
總結(jié)
本篇內(nèi)容挺復(fù)雜的，其實(shí)就包含三個(gè)方面：Atomic operations（原子操作）、Partial?ordering of operations（局部執(zhí)行順序）和Visible effects of operations（操作可見(jiàn)性）。
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