`std::memory_ordering`的值会影响原子对象上的编译器重新排序和硬件指令吗？

Question

我想知道，

std::memory_ordering

类型的参数的值只是提示编译器如何重新排序代码，还是该值也影响操作原子对象的指令的选择？

如https://en.cppreference.com/w/cpp/atomic/memory_order中所述，例如：

memory_order_acquire

：在此加载之前，当前线程中的任何读取或写入都不能重新排序。

这对编译器提出了如何对代码重新排序的要求。假设目标平台有两个原子指令：

W0 addr, eax

、

W1 addr, eax

。 IIUC，

memory_order

的值也会影响原子对象使用哪条指令的选择，对吧？

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另一个问题是，如果

memory_order

类型的参数的值只能在运行时确定，那么编译器如何知道如何根据该值对代码进行重新排序？

Answer 1

是的，两者都有。

C++内存模型要求原子操作遵循一定的语义，这取决于指定的内存排序参数。因此，编译器必须发出在执行时根据这些语义表现的代码。

例如，采用如下代码：

std::atomic<int> x;
int y, tmp;
if (x.load(std::memory_order_acquire) == 5) {
    tmp = y;
}

在典型的机器上，编译器需要：

1. 不在编译时重新排序

   x

   和

   y

   的加载。换句话说，它应该发出一条加载指令

   x

   和一条加载指令

   y

   ，以便按照程序顺序，第一个指令在第二个指令之前执行。

2. 确保

   x

   和

   y

   的负载按顺序变为visible。如果机器能够执行无序执行、推测性加载或任何其他可能导致两个加载不按程序顺序可见的功能，则编译器必须发出代码以防止这种情况在这种情况下发生。

   该代码的外观取决于相关机器。可能性包括：

   • 不需要什么特别的，因为机器不会进行这种特殊的重新排序。因此

     x

     和

     y

     将仅由普通加载指令加载，没有任何额外的内容。例如，x86 上就是这种情况，其中“所有负载均已获取”。

   • 使用特殊形式的加载指令来禁止重新排序。例如，在 AArch64 上，

     x

     的加载将使用

     ldapr

     或

     ldar

     指令而不是普通的

     ldr

     来完成。

   • 在两个负载之间插入特殊的内存屏障指令，就像ARM的

     dmb

     。

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在绝大多数代码中，内存排序参数被指定为编译时常量，因为程序员静态地知道需要什么排序，因此编译器可以发出适合该特定排序的指令。

在排序参数不是常量的特殊情况下，编译器必须发出无论指定什么值都将正常运行的代码。通常所做的是，编译器只是将排序参数视为

memory_order_seq_cst

，因为它比所有其他参数都更强：

seq_cst

操作满足较弱排序所需的所有语义（以及更多）。这节省了在运行时实际测试排序参数值并相应分支的成本，这可能超过使用较弱排序执行操作所节省的潜在成本。

但是，如果编译器确实选择测试和分支，那么为了优化周围代码，它通常必须假设“最坏情况”。例如，在 AArch64 上，对于

x.load(order)

，它可能会发出如下代码块：

int t;
if (order == std::memory_order_relaxed)
    LDR t, [x]
else if (order == std::memory_order_acquire)
    LDAPR t, [x]
else if (order == std::memory_order_seq_cst)
    LDAR t, [x]
else
    abort();
if (t == 5)
    LDR tmp, [y]

但是，需要确保

y

的负载保持在该代码块的末尾（按程序顺序）。如果

order

等于

std::memory_order_relaxed

，那么可以在

y

的加载之前执行

x

的加载，但如果它是

std::memory_order_acquire

或更强，则不行。

另一方面，它可能会发射

int t, t2;
if (order == std::memory_order_relaxed) {
    LDR t2, [y]
    LDR t, [x]
} else if (order == std::memory_order_acquire) {
    LDAPR t, [x]
    LDR t2, [y]
} else if (order == std::memory_order_seq_cst) {
    LDAR t, [x]
    LDR t2, [y]
else
    abort();
if (t == 5)
    tmp = t2;

但我们现在远远超出了现实世界编译器实际执行的转换范围。