共享指针析构函数中的内存顺序

Question

我试图找出共享指针析构函数最放松（和正确）的内存顺序。我现在想到的是如下：

~shared_ptr() {
   if (p) {
     if (p->cnt.fetch_sub(1, std::memory_order_release) == 1) {
       p->cnt.load(std::memory_order_acquire);
       delete p;
     }
   }
 }

基本上，我认为所有以前的fetch_sub()应该发生 - 在delete p;之前，并且通过p->cnt.load(std::memory_order_acquire);，我构建了一个释放序列来确保这一点。

我是C ++内存模型的新手，并不太自信。我的上述推理是否正确，我指定的内存顺序是否正确且最轻松？

Answer 1

从理论上讲，您可能拥有最有效的代码，因为没有必要的同步。

但在实践中，几乎没有CPU提供完全映射到获取/释放内存顺序的指令（可能未来的ARMv8.3-A将会）。因此，您必须检查生成的代码的每个目标。

例如，在x86_64上fetch_sub(std::memory_order_acq_rel)和fetch_sub(std::memory_order_release)将产生完全相同的指令。

因此，虽然理论上你的代码看起来是最优的，但在实践中，你得到的代码不如你选择更简单的方法更优化：

std::atomic<int> cnt;
int* p;
void optimal_in_therory() {
     if (cnt.fetch_sub(1, std::memory_order_release) == 1) {
       cnt.load(std::memory_order_acquire);
       delete p;
   }
}
void optimal_in_practice_on_x86_64() {
     if (cnt.fetch_sub(1, std::memory_order_acq_rel) == 1) {
       delete p;
   }
}

部件：

optimal_in_therory():
  lock sub DWORD PTR cnt[rip], 1
  je .L4
  rep ret
.L4:
  mov eax, DWORD PTR cnt[rip]  ;Unnecessary extra load
  mov rdi, QWORD PTR p[rip]
  mov esi, 4
  jmp operator delete(void*, unsigned long)
optimal_in_practice_on_x86_64():
  lock sub DWORD PTR cnt[rip], 1
  je .L7
  rep ret
.L7:
  mov rdi, QWORD PTR p[rip]
  mov esi, 4
  jmp operator delete(void*, unsigned long)

有一天，我将生活在理论中，因为理论上每件事情都很顺利--Pierre Desproges

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为什么编译器会保留这个额外负载？

根据标准，优化器允许在非易失性原子上执行冗余负载。例如，如果在您的代码中添加了三个额外负载：

cnt.load(std::memory_order_acquire);
cnt.load(std::memory_order_acquire);
cnt.load(std::memory_order_acquire);

使用GCC或Clang时，三个负载将出现在程序集中：

mov eax, DWORD PTR cnt[rip]
mov eax, DWORD PTR cnt[rip]
mov eax, DWORD PTR cnt[rip]

这真是一个糟糕的悲观情绪。我的观点是，由于“波动性”和“原子性”之间的历史混淆，它保持原样。虽然几乎所有程序员都知道volatile不具有原子变量的属性，但许多代码仍然写着原子具有volatile的特性：“原子访问是一种可观察的行为”。根据标准，它不是（明确的example note about this fact in the standard）。这是关于SO的反复出现的问题。

因此，您的代码实际上是理论上的最佳代码，并且它是悲观的，因为编译器优化代码就好像原子也是挥发性的。

解决方法可能是用Kieth在评论中提出的atomic_thread_fence来替换负载。我不是硬件专家，但我想这样的围栏可能会导致更多的内存“同步”而不是必要的（或者至少在理论上;））。

为什么我认为你的代码在理论上是最优的？

单个对象的最后一个shared_ptr必须调用该对象的析构函数，而不会导致数据争用。析构函数可以访问对象的值，因此析构函数调用必须在指向对象的指针“失效”之后发生。

所以delete p;必须“发生在”所有其他共享指针的析构函数调用之后共享同一个尖头对象。

在之前发生的标准由以下段落定义：

[intro.races] / 9：

评估A线程在评估B之前发生，如果：

• 与B同步，或[...]

• 任何与“之前排序”的组合，它是一个传递规则。

[intro.races] / 10：

评估A发生在评估B之前（或等效地，B发生在A之后），如果：

• A在B之前排序，或
• 线程发生在B之前。

因此，在fetch_sub和其他delete p之前排序的fetch_sub之间必须存在“同步”关系。

据[atomics.order]/2说：

对原子对象M执行释放操作的原子操作A与对M执行获取操作的原子操作B同步，并且从由A开头的释放序列中的任何副作用获取其值。

所以delete p必须在获取操作之后进行排序，该操作加载所有其他fetch_sub的释放序列中的值。

根据[expr.races]/5，最后的fetch_sub（在cnt的修改顺序中）将属于所有其他版本fetch_sub的释放序列，因为fetch_sub是读取 - 修改 - 写入操作，fetch_add（假设没有其他操作发生在cnt） 。

所以delete p将在所有其他fetch_sub之后发生，并且只有在调用delete p之前才会产生“同步”。确切地说，不是必要的。