内存模型的内存序选择技巧

C++中的std::memory_order提供了多种内存序，通过合理的选择和使用，开发者能够根据多线程应用需求控制操作的顺序和可见性。在多线程应用中，选择合适的内存序既能保证数据的安全性，又能避免不必要的同步开销。本文在简要回顾各类内存序特性的基础上，重点介绍其在实际编程中的选择技巧。

1. 内存序回顾

C++11的std::memory_order包含六种内存序：

• Relaxed（松散）：不提供同步，适用于无依赖性的计数操作等。
• Acquire（获取）：保证加载后续的读写操作不被重排到此加载操作前，适用于读取共享数据。
• Release（释放）：保证存储前的读写操作对其他线程可见，适用于发布共享数据。
• Acquire-Release（获取-释放）：适用于同时包含读取和写入的复杂同步场景。
• Consume（消费）：类似Acquire，但作用仅限当前线程（现代编译器中少用，不做介绍了）。
• Sequentially Consistent（顺序一致）：提供全局顺序一致性，适用于需要严格数据同步的全局场景。

2. 使用场景

以下介绍每种内存序的使用场景，并针对部分内存序通过代码示例展示如何在多线程编程中的应用。

2.1 Relaxed

memory_order_relaxed适用于仅保证原子性的非同步——不影响线程间的数据可见性和顺序的场景，适用于无依赖的计数操作等。这也是原子变量最基础的能力。

2.2 Acquire && Release

memory_order_acquire和memory_order_release通常用于跨线程的数据同步，适用于生产者-消费者场景，生产者通过memory_order_release发布数据，消费者通过memory_order_acquire读取，确保在发布数据后其他线程可以读取到正确的数据。用于生产者-消费者、信号标志等数据同步场景，防止指令重排导致的读取数据失效。

示例：生产者-消费者

#include <atomic>
#include <thread>
#include <iostream>
std::atomic<int> data(0);
std::atomic<bool> ready(false);
void producer() {
data.store(42, std::memory_order_relaxed);         // 数据写入
ready.store(true, std::memory_order_release);      // 发布数据
}
void consumer() {
while (!ready.load(std::memory_order_acquire));    // 获取数据
std::cout << "Data: " << data.load(std::memory_order_relaxed) << "\n";
}
int main() {
std::thread t1(producer);
std::thread t2(consumer);
t1.join();
t2.join();
}

2.3 Acquire-Release

memory_order_acq_rel结合了memory_order_acquire和memory_order_release的特性，适用于同时包含读取和写入的复杂同步场景。它确保了读取操作在获取数据后，写入操作对其他线程可见。

2.4 Sequence Consistent

memory_order_seq_cst提供最严格的同步控制，适用于全局顺序一致性需求较高的场景。所有线程观察到的操作顺序一致，适合对数据一致性要求极高的场景，其会产生同步开销，仅必要时使用。

示例：全局顺序一致的计数器

#include <atomic>
#include <thread>
#include <iostream>
std::atomic<int> counter(0);
void increment() {
for (int i = 0; i < 1000; ++i) {
counter.fetch_add(1, std::memory_order_seq_cst); // 顺序一致的内存序
}
}
int main() {
std::thread t1(increment);
std::thread t2(increment);
t1.join();
t2.join();
std::cout << "Final counter: " << counter.load(std::memory_order_seq_cst) << "\n";
}

针对于不同内存序的使用场景，进而归纳出不同场景下内存序的选择技巧如下：

• 无同步需求的操作：memory_order_relaxed适合独立计数器、标志等场景，减少同步开销。
• 发布-获取同步场景：memory_order_release和memory_order_acquire配合使用适合生产者-消费者模式。
• 复杂同步：包含读写操作的同步场景中，memory_order_acq_rel提供获取与释放的联合效果。
• 高安全性同步：当全局同步一致性要求较高时，memory_order_seq_cst适合确保线程间数据一致。

3. 结论

本文回顾了std::memory_order的不同内存序，重点讨论了每种内存序的使用场景，并提出了内存序的选择技巧。因场景不同，开发者应根据实际需求选择合适的内存序，以确保多线程应用的正确性和性能。