内存序有哪些类型 relaxed到seq_cst区别-C++-PHP中文网

内存序定义了C++11中原子操作的可见性与顺序，从relaxed到seq_cst，依次增强同步保证。它解决多线程下指令重排与数据可见性问题，平衡性能与正确性：relaxed仅保原子性，acquire-release实现生产者-消费者同步，acq_rel用于读改写操作，seq_cst提供全局顺序一致但开销大。实际使用应从seq_cst起步，在性能瓶颈时按需降级，避免滥用relaxed导致隐蔽bug。

内存序有哪些类型 relaxed到seq_cst区别

内存序是C++11并发编程中一个核心概念，它定义了多线程环境下原子操作的可见性和执行顺序，从最宽松的

relaxed

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到最严格的

seq_cst

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，它们在保证数据同步的强度和对性能的影响上有着显著的区别。简单来说，它们决定了编译器和处理器在多线程环境中如何重排指令，以及一个线程对共享内存的写入何时能被另一个线程看到。

解决方案内存序，或者说

std::memory_order

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，是C++原子操作（

std::atomic

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）的灵魂所在。它不是关于操作本身是否原子（原子操作总是原子的），而是关于这些原子操作在不同线程之间如何建立“happens-before”关系，进而影响数据可见性。

```
std::memory_order_relaxed
```
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(松散序) 这是最弱的内存序。它只保证操作本身的原子性，不提供任何跨线程的同步或排序保证。这意味着，一个线程对
```
relaxed
```
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原子变量的写入，在另一个线程看来，可能在任意时间点可见，甚至可能在写入之后的其他非原子操作之前可见。它允许编译器和处理器进行最大程度的重排，因此性能开销最小。我个人觉得，这就像你发了一条微信朋友圈，只关心内容发出去了，至于朋友们什么时候刷到，或者他们刷到这条朋友圈和他们看到的你上一条朋友圈的顺序有没有关系，你完全不在乎。
```
std::memory_order_release
```
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(释放序) 当一个线程执行一个
```
release
```
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操作时，它保证在该操作之前的所有写操作都对其他线程可见。这通常用于生产者线程，表示“我已经完成了我的工作，并把它发布出去”。
```
std::memory_order_acquire
```
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(获取序) 当一个线程执行一个
```
acquire
```
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操作时，它保证能看到所有在与之配对的
```
release
```
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操作之前发生的写操作。这通常用于消费者线程，表示“我正在获取别人的工作，并且我需要看到他们发布的所有内容”。
```
release
```
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和
```
acquire
```
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操作配对使用时，能够建立一个单向的“happens-before”关系链，确保数据从生产者正确传递到消费者。在我看来，这是并发编程中最常用也最值得深入理解的模式，它在性能和正确性之间找到了一个很好的平衡点。
```
std::memory_order_acq_rel
```
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(获取-释放序) 这个内存序结合了
```
acquire
```
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和
```
release
```
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的语义。它既能保证在该操作之前的所有写操作对其他线程可见（
```
release
```
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语义），又能保证能看到与之配对的
```
release
```
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操作之前发生的所有写操作（
```
acquire
```
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语义）。它常用于读-改-写（RMW）操作，比如原子地修改一个计数器并希望这个修改能立即被其他线程看到，同时又希望看到其他线程在此操作之前对相关数据所做的修改。
```
std::memory_order_seq_cst
```
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(顺序一致性) 这是最强的内存序，也是默认的内存序。它不仅提供了
```
acquire
```
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和
```
release
```
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的所有保证，还额外保证所有
```
seq_cst
```
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操作在所有线程中都以相同的总顺序执行。这意味着，所有线程都会看到
```
seq_cst
```
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操作以相同的顺序发生。这种全局的、单一的顺序保证使得程序推理变得非常简单，但代价是可能带来显著的性能开销，因为它可能需要在硬件层面引入更强的内存屏障。我经常把它比作交通规则中的“红绿灯”，所有车辆都必须按照统一的红绿灯信号通行，虽然简单明了，但效率可能不如更灵活的“环岛”或“让行”规则。

为什么我们需要内存序？它解决了哪些并发编程的痛点？

在我看来，内存序的出现，是并发编程从“能用”走向“高效且正确”的关键一步。我们都知道，现代CPU为了性能，会进行指令重排；编译器为了优化，也会改变代码的执行顺序。在单线程环境下，这些重排是透明且安全的，因为它们不会改变程序的最终结果。但一旦进入多线程环境，情况就变得复杂了。

想象一下，你有一个线程A写入了数据X，然后设置了一个标志位Y。另一个线程B看到标志位Y被设置了，然后去读取数据X。如果没有内存序的保证，即使线程B看到了Y被设置，它读取到的X可能仍然是旧值，因为CPU或编译器可能把X的写入排在了Y的写入之后，或者X的写入还没有同步到线程B的缓存中。这就是典型的“数据可见性”问题，也是并发编程中最让人头疼的痛点之一。

内存序正是为了解决这些问题而生。它通过明确的语义，告诉编译器和处理器在特定操作（原子操作）前后，哪些指令不能被重排，哪些数据必须在何时对其他线程可见。它提供了一种精细的控制粒度，让我们能够在保证程序正确性的前提下，尽可能地减少不必要的同步开销。没有内存序，我们只能依赖粗粒度的锁（如互斥量），这虽然能保证正确性，但往往会引入过大的性能瓶颈，尤其是在高并发场景下。所以，内存序的核心价值在于，它提供了一种在性能与正确性之间进行权衡的工具，让我们能够构建更高效、更健壮的无锁或少锁并发结构。

在实际项目中，如何选择合适的内存序以平衡性能与正确性？

这确实是个艺术活，也是个经常让人纠结的问题。我个人的经验是，除非你对内存模型和硬件架构有非常深入的理解，并且对性能有极致的要求，否则：

从
```
seq_cst
```
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开始： 如果你不确定，或者这是一个新的并发逻辑，先用
```
std::memory_order_seq_cst
```
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。它虽然可能带来一些性能开销，但它能保证最强的顺序一致性，大大降低了出错的概率，让你的逻辑更容易推理。在我看来，这是最“安全”的选择，因为它能帮你避免很多隐蔽的bug。只有当你发现
```
seq_cst
```
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成为了性能瓶颈时，才考虑降级。
理解
```
acquire-release
```
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对：这是最常用的优化手段。如果你有一个明确的生产者-消费者模式，或者一个线程写入数据，另一个线程读取数据并依赖这个写入的完成，那么
```
release
```
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和
```
acquire
```
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就是你的首选。例如，一个线程更新数据后，用
```
release
```
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语义更新一个状态变量；另一个线程用
```
acquire
```
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语义读取这个状态变量，确保能看到之前的所有数据更新。这在实现无锁队列、信号量等数据结构时非常常见。我发现，这种模式能提供很好的性能，同时保持了相对清晰的逻辑。
谨慎使用
```
relaxed
```
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：
```
relaxed
```
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操作是最快的，但它不提供任何排序保证。它只适用于那些你只关心原子性，而完全不关心操作顺序或可见性的场景。比如，一个简单的计数器，你只关心最终的计数值是准确的，而不关心每次递增操作在其他线程看来是按什么顺序发生的。如果你对
```
relaxed
```
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的使用场景有任何疑问，或者它与任何其他共享状态有关联，那就不要用它。我见过太多因为滥用
```
relaxed
```
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而导致的难以复现的并发bug，那真是调试的噩梦。

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读-改-写操作： 对于像
```
fetch_add
```
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、
```
compare_exchange_weak
```
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这样的读-改-写（RMW）操作，如果你需要确保这个操作既能看到之前的写入，又能让之后的写入可见，那么
```
acq_rel
```
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通常是合适的选择。当然，
```
seq_cst
```
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也能满足，但
```
acq_rel
```
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可能更高效。
剖析和测试： 最终的决策不应该仅仅基于理论。在性能敏感的场景，你必须进行实际的性能剖析。尝试不同的内存序，然后用基准测试来衡量它们的实际影响。并发编程的复杂性在于，理论上的优化可能在特定硬件或工作负载下表现不尽如人意。

seq_cst真的总是“最安全”的选择吗？它有哪些隐性成本？

从编程模型和推理的“安全”角度来看，

seq_cst

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确实是“最安全”的。因为它提供了最强的保证：所有线程都会看到所有

seq_cst

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操作以相同的、全局一致的顺序发生。这极大地简化了多线程程序的推理，你不需要去考虑复杂的指令重排和缓存同步问题，只需要像单线程程序那样思考逻辑顺序。对于初学者，或者在不确定如何选择时，它无疑是降低风险的首选。

然而，这种“安全”并非没有代价，它有着显著的隐性成本：

性能开销： 这是最直接的成本。为了保证所有
```
seq_cst
```
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操作的全局一致顺序，编译器和处理器可能需要插入更多的内存屏障（memory barrier或fence）。这些屏障会强制CPU刷新或同步其缓存，并阻止指令重排，这会打断CPU的流水线，导致性能下降。在某些架构上，
```
seq_cst
```
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操作可能需要跨CPU核心甚至跨CPU插槽进行昂贵的缓存一致性协议通信，从而显著增加延迟。在我看来，这就像你为了确保所有交通参与者都绝对安全，而给每个路口都设置了红绿灯，即使在夜深人静、车辆稀少的时候也是如此，效率自然会降低。
不必要的同步：
```
seq_cst
```
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的强保证往往是“过度”的。很多时候，我们并不需要所有原子操作都以全局一致的顺序发生，我们可能只需要保证某个特定数据在特定时刻对特定线程可见。例如，一个简单的计数器，我们只关心它的原子递增，而不关心每次递增的全局顺序。使用
```
seq_cst
```
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会强制引入比
```
relaxed
```
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或
```
acquire-release
```
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更多的同步，这些额外的同步可能完全是多余的，但却消耗了宝贵的CPU周期。
难以扩展： 在某些高度并发的场景下，过度依赖
```
seq_cst
```
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可能会成为扩展性的瓶颈。当大量线程频繁地执行
```
seq_cst
```
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操作时，它们可能会在全局同步点上竞争，导致锁争用类似的问题，从而限制了程序的并行度。