理解原子变量之二：从volatile到内存序-进一步的认识

目录

实例1

实例2

实例3

内存序中两个最重要的概念

补记

结论

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实例1

看下面的例子：在vs2013中建立如下工程：

#include <thread>
#include <iostream>
#include <chrono>bool done = false;void worker(){std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(3));done = true;
}int main(){std::thread workerThread(worker);while (!done){//std::cout << "waiting" << std::endl;不知为什么，加上这句打印就可以跳出循环}std::cout << "thread finished" << std::endl;workerThread.join();std::cin.get();return 0;
}

使用release模式编译该工程，且优化采用O2

结果是程序卡住了，本来3秒钟就可以跳出while(!done)死循环，现在一直停着。

vs2013 release 模式下多线程卡住演示

实例2

实例1为什么会卡住呢？因为编译器在打开优化的情况下，“武断”的认为done永远都是false。编译器意识不到子线程也在改变done的取值，所以就认为done是常量，而不会在运行到while()时读取done的实际值，于是while(!done)就变成了while(true)。假如采用debug模式编译，编译器不会“自作聪明”，程序在运行时将老老实实的不断读取done的实时值，直到done==true为止。所以，debug模式不会卡住，而release模式会卡住（除非在编译时禁止优化）。

现在稍微修改一下代码，用volatile修饰 bool done。即使在release下编译，程序仍然正常走完，不卡住：

这是因为，volatile在提示编译器，done是一个不能被优化掉的变量。即使在release模式下，每次走到while时，也要查看done的值。

回到原子变量的话题上来，再看第三个例子：

实例3

现在用atomic<bool>代替volatile bool。

#include <thread>
#include <iostream>
#include <chrono>
#include <atomic>std::atomic<bool> done(false);void worker() {std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(3));done.store(true);
}int main() {std::thread workerThread(worker);while (!done.load()) {//std::cout << "waiting" << std::endl;不知为什么，加上这句打印就可以跳出循环}std::cout << "thread finished" << std::endl;workerThread.join();std::cin.get();return 0;
}

结果与使用volatile一样，while(!done.load())不会一直阻塞程序向下运行：

 看到了上面的三个例子，接下来就要请出原子变量里面一个非常重要的概念：内存序。

内存序中两个最重要的概念

std::memory_order - cppreference.com列出了C++11标准里的六个内存序(memory_order)。这6个内存序的作用将在下一篇文章描述。其中多次出现一个词汇“可见”(visible)

以MEMORY_ORDER_ACQUIRE为例，其中文解释是：

有此内存定序的加载操作，在其影响的内存位置进行获得操作：当前线程中读或写不能被重排到此加载之前。其他线程的所有释放同一原子变量的写入，能为当前线程所见

 “其他线程的所有释放同一原子变量的写入，能为当前线程所见”这句话的意思是什么？我们只要理解了什么是不可见，就理解了可见。对照实例1，在不使用volatile的情况下，子线程workerThread对done的修改，没有影响到主线程的while(!done)逻辑，这就是说，子线程对done的写入，不为主线程可见。

反观实例2和3，子线程修改了done，主线程的运行随之受了影响，这就是可见。

内存序里有两个重要的概念，一是指令排序，在下一篇里面将介绍；另一个就是可见性（visibility）。从例子2和3可见，在可见性这方面，原子变量的作用与volatile是一样的：原子变量被一个线程改变后，另一个线程肯定会发现这个变化。

补记

实例1，2，3都是在vs2013下演示的。在vs2019下，实例1效果有区别：vs2019的while循环在示例1中同样不会阻塞。这是因为，不同的编译器遵循不同的c++标准。即使遵循相同的C++标准，不同的编译器对同一个标准的贯彻程度也不一样：有的编译器严格遵循标准，既不多做，也不少做；有的编译器在某些次要方面可能达不到C++标准的要求（少做）；还有的编译器为了安全性等方面考虑，甚至超过了C++标准的要求（多做）。vs2019很可能属于超过标准这一种：即使是多线程编程中使用普通的非原子变量，非易失(volatile)变量，仍能保证可见性（个人猜测）。

但无论如何，本文探讨的是C++11标准的内存序，不针对具体编译器。在遵守C++11标准方面，VS2013似乎比2019更贴切，所以三个实例均采用2013示范。

结论

前文解释了原子变量的第一个功能：它相当于粒度很细的互斥锁。本文介绍了原子变量的第二个功能：可见性。原子变量保证了多线程编程中的可见性。事实上，原子变量共负担了三个功能。下一篇文章将介绍其第三个功能--限制指令重排。