C++ 中的获取-释放语义

引言

C++ 的获取-释放（acquire-release）语义对于同步多线程程序至关重要，它能保证线程对共享数据的访问可预测且可重复。它是一种强大的内存排序机制，用于控制并发程序。获取-释放语义是一个内存排序规则家族的组成部分，该家族最初包含在 C++11 标准中；由于它们在不同线程之间的可见性，因此也可以对内存操作进行非常细粒度的控制。

获取和释放操作与原子操作紧密相关，这使得线程可以在不相互干扰的情况下对共享数据执行读、写或更新。获取操作将保证当前线程中的所有内存操作直到获取操作完成后才会执行。相比之下，释放操作保证当前线程中所有先前的内存操作在释放操作之前完成。结合起来，获取-释放语义允许线程引入同步点，从而在不增加锁定带来的完全开销的情况下，实现数据的一致性，而锁定是一种更强的同步形式。

这些语义在涉及多个线程通过共享变量进行交互的情况下非常有用，包括无锁数据结构、生产者-消费者模式以及对共享缓冲区的同步访问。通过获取-释放语义，可以在不产生不必要性能成本的情况下实现高效安全的内存同步，这使其成为高性能并发编程中的一个重要概念。

C++ 中获取-释放语义的特性

获取-释放语义的特性可以在不引入性能开销的情况下保证数据的一致性和线程同步。

1. 内存排序约束
   获取-释放语义对内存操作施加了部分排序。这意味着获取操作保证当前线程中的任何读写内存操作都不会被重排到获取操作之前。同样，释放操作确保当前线程中的任何内存操作都不会被重排到释放操作之后。这保证了关键内存操作不会乱序执行，并为涉及多个线程的程序提供了可预测的行为。
2. 锁同步
   使用获取-释放语义，线程可以在锁上进行同步。假设一个线程在共享原子变量上执行释放操作，而另一个线程获取同一个共享变量。在释放之前，第一个线程中的状态更改在第二个线程中对该变量进行获取后可见。这种特性使得线程之间可以进行安全通信，而无需像互斥锁那样更重的同步机制。
3. 锁同步的传递性
   在获取-释放语义中，它是可传递的。如果线程 A 释放一个原子变量，线程 B 获取它，然后线程 B 释放另一个原子变量，那么获取第二个变量的线程 C 也将看到线程 A 释放的效果。这种传递性可以非常有效地建立同步链。
4. 性能优化
   与更严格的内存排序模型不同，获取-释放语义在同步和性能之间取得了平衡。通过仅在获取和释放点需要时施加排序，该语义能够有效避免全局内存围栏或完整同步屏障带来的性能损失，使其更适合高性能并发应用程序。
5. 影响范围
   在获取-释放语义的情况下，影响也仅限于涉及的原子变量和线程。除了这些交互本身之外，不需要任何形式的全局同步或内存可见性。开销被降到最低，但开发者仍然可以根据需要自由地微调他们的同步逻辑。

理解和利用这些特性将使设计者能够在保留完整性的前提下，以尽可能低的开销设计高性能、高保障的多线程应用程序。

示例

让我们通过一个示例来说明 C++ 中的获取-释放语义。

输出

 
Data: 42   

说明

在此示例中，源代码使用 `std::atomic` 演示了 C++ 中获取-释放语义的概念。这种模型在多线程编程中很重要，因为它提供了一种高效的内存操作在线程之间排序的方法，以确保共享数据的安全访问。

在此示例中，有两个线程：生产者和消费者。生产者线程更新线程之间共享的原子数据以保存值 42。但是，此写操作未在 `std::memory_order_relaxed` 下进行，这意味着它不会与其他线程同步。接下来，生产者使用 `std::memory_order_release` 将原子标志 `ready` 设置为 `true`。Release 排序确保在设置 `ready` 标志之前，之前的所有写操作（即，将 42 写入 `data`）都对所有线程可见。换句话说，它释放了之前发生的所有更改，以便其他线程可以看到它们。

消费者线程通过 `std::memory_order_acquire` 持续测试 `ready` 标志。Acquire 顺序将保证一旦消费者线程观察到 `ready` 为 `true`，它将看到生产者线程在设置 `ready` 标志之前完成的所有写操作，从而确保消费者线程读取正确的数据值。

这种同步模型是轻量级的，并且避免了任何不必要的阻塞或锁定，这使得这种方法非常高效。Acquire-Release 的配对确保动作能够按照预期从生产者正确地传播到消费者，并在没有数据竞争的情况下保持一致性。

随着程序的运行，消费者线程最终会注意到 `ready` 已设置为 `true` 并安全地打印数据值 42。这演示了如何使用 Acquire-Release 语义来协调线程之间的操作，并确保正确的内存可见性和排序。

复杂度

C++ 中 Acquire-Release 语义的复杂性源于它们对多线程系统中内存顺序和可见性的控制。尽管这些语义并不昂贵，并且可以避免传统锁定机制的开销，但正确使用它们对于避免诸如数据竞争和未定义行为等微妙错误至关重要。我们需要熟悉低级内存模型、编译器优化和硬件重排才能正确理解和应用它们。

1. 低级内存模型
   C++ 内存语义，例如获取-释放语义，在定义共享内存操作如何在线程之间保持一致的框架内工作。由于锁本质上会序列化对内存区域的访问，因此它们不允许对内存中的顺序进行细粒度控制。这降低了灵活性，因为程序员必须明确地考虑哪些操作必须同步以及以什么顺序。在开发人员出错或误解这些内存模型的情况下，可能会由于数据不一致而导致线程之间的同步间隙。
2. 硬件和编译器优化
   获取-释放语义必须能够容忍编译器可能进行的任何指令重排以及处理器可能执行的操作。
   示例
   • 编译器可能会为了提高性能而重排指令，除非受到内存排序语义的明确约束。
   • 处理器可能会乱序执行内存操作，以提高其吞吐量。
   获取-释放语义在关键情况下可以防止此类重排，但前提是使用得当。开发人员必须为每个操作选择合适的内存顺序，以平衡性能和正确性。
3. 调试和维护
   Acquire-Release 语义的一个主要问题是调试。涉及微妙内存排序问题的错误，例如数据竞争或陈旧读取，由于其在严格的时间条件下出现而很难重现和诊断。代码没有显式的锁或屏障，因此跟踪数据如何在线程之间流动会变得更加困难。
4. 性能考虑
   虽然获取-释放语义优于基于互斥锁的同步，但它们并非没有成本。特别是，获取和释放操作会引入阻止某些优化的屏障，并且这些屏障会因底层硬件体系结构而异。过度使用这些屏障或在不需要时使用它们会降低性能，以至于使用它们弊大于利。