原子负载可以在C++内存模型中合并吗？

Question

请考虑下面的C++11代码片段。对于GCC和clang，这将编译为两个（顺序一致的）Foo加载。（编者注：编译器不会优化atomics，更多细节请参见本问答，特别是http://wg21.link/n4455标准讨论了这可能产生的问题，该标准没有给程序员提供解决这些问题的工具。本语言律师问答是关于当前标准的，而不是编译器的工作。）

C++内存模型是否允许编译器将这两个加载合并为一个加载，并对x和y使用相同的值？

#include <atomic>
#include <cstdio>

std::atomic<int> foo;

int main(int argc, char **argv)
{
    int x = foo;
    int y = foo;

    printf("%d %d\n", x, y);
    return 0;
}

Answer 1

允许一个实现将您的代码片段转换为以下内容（伪实现）。

int __loaded_foo = foo;

int x = __loaded_foo;
int y = __loaded_foo;

原因是在保证顺序一致性的情况下，您无法观察到上面两个不同的foo负载之间的差异。

_{注意：不仅仅是编译器可以进行这样的优化，处理器可以简单地推断，您无法观察到差异并加载foo的值一次--尽管编译器可能要求它加载两次。}

给定一个线程以增量方式不断更新foo，可以保证的是，Y与X的内容相比，Y将具有相同的值，或者更晚的写入值。

// thread 1 - The Writer
while (true) {
  foo += 1;
}

// thread 2 - The Reader
while (true) {
  int x = foo;
  int y = foo;

  assert (y >= x); // will never fire, unless UB (foo has reached max value)
}                  

设想编写线程由于某种原因在每次迭代时暂停执行（因为上下文切换或其他实现定义的原因）；您无法证明这就是导致X和Y具有相同值的原因，或者是因为“合并优化”。

null

只要我们不能观察到我们所表达的行为和执行过程中的行为之间的任何差异，实现就可以进行它想要的任何更改。

null

// initial state
std::atomic<int> foo = 0;

// thread 1
while (true) {
  if (foo)
    break;
}

// thread 2
foo = 1

问题：给定前面几节中的推理，一个实现是否可以只在线程1中读取foo，然后即使线程2写入foo，也不会跳出循环？

答案；没有。

_{如果我真的想防止这种形式的“优化”怎么办？}

_{如果您希望强制实现在编写某个变量的每一点上都实际读取该变量的值，那么应该研究volatile的用法（注意，这绝不会增强线程安全）。}

但是实际上编译器并不优化atomics，因此标准组建议不要使用volatile Atomic，直到这个问题解决为止。见

• http://wg21.link/n4455
• http://wg21.link/p0062
• 为什么编译器不合并冗余的STD：：Atomic写入？
• 和这个问题的重复，编译器能优化出两个原子负载吗？