标准 C++11 是否保证 `volatile atomic<T>` 具有两种语义（volatile + atomic）？答案

【问题标题】：Does standard C++11 guarantee that `volatile atomic<T>` has both semantics (volatile + atomic)?标准 C++11 是否保证 `volatile atomic<T>` 具有两种语义（volatile + atomic）？
【发布时间】：2017-03-15 00:08:31
【问题描述】：

众所周知，std::atomic 和 volatile 是不同的东西。

有两个主要区别：

两个优化可以针对std::atomic<int> a;，但不能针对volatile int a;：
- 融合操作：a = 1; a = 2; 可以被a = 2; 上的编译器替换
- 不断传播：a = 1; local = a;可以被编译器替换为a = 1; local = 1;
跨原子/易失性操作的普通读/写重新排序：
- 对于volatile int a;，任何易失性读/写操作都不能重新排序。但是附近的普通读/写仍然可以围绕易失性读/写重新排序。
- 用于std::atomic a; 附近普通读/写的重新排序，基于用于原子操作的内存屏障a.load(std::memory_order_...);

即volatile 不引入内存围栏，但 std::atomic 可以做到。

正如文章中所描述的那样：

Herb Sutter，2009 年 1 月 8 日 - 第 1 部分：http://www.drdobbs.com/parallel/volatile-vs-volatile/212701484
Herb Sutter，2009 年 1 月 8 日 - 第 2 部分：http://www.drdobbs.com/parallel/volatile-vs-volatile/212701484?pgno=2

例如std::atomic应该用于并发多线程程序（CPU-Core CPU-Core），但volatile应该用于访问设备上的Mamory Mapped Regions（CPU-Core 设备）。

但如果需要，两者都具有不寻常的语义，并具有无锁编码所需的任何或全部原子性和/或顺序保证，即如果需要 volatile std::atomic<>，出于以下几个原因：

ordering：防止对普通读取/写入进行重新排序，例如，从 CPU-RAM 读取数据，使用设备 DMA 控制器将数据写入其中

例如：

char cpu_ram_data_written_by_device[1024];
device_dma_will_write_here( cpu_ram_data_written_by_device );

// physically mapped to device register
volatile bool *device_ready = get_pointer_device_ready_flag();

//... somewhere much later
while(!device_ready); // spin-lock (here should be memory fence!!!)
for(auto &i : cpu_ram_data_written_by_device) std::cout << i;

溢出：CPU 写入 CPU-RAM，然后设备 DMA 控制器从该内存读取：https://en.wikipedia.org/wiki/Register_allocation#Spilling

示例：

char cpu_ram_data_will_read_by_device[1024];
device_dma_will_read_it( cpu_ram_data_written_by_device );

// physically mapped to device register
volatile bool *data_ready = get_pointer_data_ready_flag();

//... somewhere much later
for(auto &i : cpu_ram_data_will_read_by_device) i = 10;
data_ready=true; //spilling cpu_ram_data_will_read_by_device to RAM, should be memory fence

atomic：保证 volatile 操作是原子操作 - 即它将由单个操作而不是多个操作组成 - 即一个 8 字节操作而不是两个 4 字节操作

为此，Herb Sutter 谈到了 volatile atomic<T>，2009 年 1 月 8 日：http://www.drdobbs.com/parallel/volatile-vs-volatile/212701484?pgno=2

最后，表达一个既具有不寻常语义又具有所需的任何或所有原子性和/或排序保证无锁编码，只有 ISO C++0x 草案标准提供了直接拼写方式：volatile atomic。

但是现代标准 C++11（不是 C++0x 草案）、C++14 和 C++17 是否保证 volatile atomic<T> 具有两种语义（易失性 + 原子） ?

volatile atomic<T> 是否保证 volatile 和 atomic 的最严格保证？

如volatile：避免问题开头所述的融合操作和常量传播
如std::atomic：引入内存栅栏以提供排序、溢出和原子性。

我们可以从volatile int *ptr; 到volatile std::atomic<int>* 做reinterpret_cast 吗？

【问题讨论】：

让我做一个简短的评论。 volatile atomic<T> 超过 atomic<volatile T>，你为什么要做 reinterpret_cast？它可能会起作用，但不能保证。
您不能拥有std::atomic<volatile T>，因为 volatile 类型不可轻易复制。
@Brian 是的，你是对的。删除了大约std::atomic<volatile T>。
@DeiDei 如果驱动程序 API 返回 volatile int *ptr; 并且我想使用代码 while(ptr->load(std::memory_order_acquire) == 0); 而不是 while(*ptr == 0); std::atomic_thread_fence(std::memory_order_acquire);
" 一个 8 字节操作而不是两个 4 字节操作" - atomic 不保证这一点。它很可能需要一个锁，然后执行两次 4 字节写入。 ATOMIC_LONG_LOCK_FREE 可以是 0 说“永不无锁”。

标签： c++ multithreading c++11 concurrency volatile

【解决方案1】：

是的，确实如此。

第 29.6.5 节，“原子类型操作的要求”

许多操作都是 volatile 限定的。 “作为设备寄存器的易失性”语义在标准中没有改变。这种限定意味着在将这些操作应用于 volatile 对象时会保留波动性。

我检查了 2008 年到 2016 年的工作草案，所有这些草案中的文本都是相同的。因此它应该应用 C++11、C++14 和 C++17。

【讨论】：

【解决方案2】：

我们可以从volatile int *ptr; 到volatile std::atomic<int>* 进行reinterpret_cast 吗？

当且仅当 ABI 表明两种类型（此处为 int 和 std::atomic<int>）具有相同的表示和限制：相同的大小、对齐方式和可能的位模式；相同的位模式具有相同的含义。

所有 volatile 都与 ABI 直接相关：具有 volatile 限定的变量必须在序列点处具有规范的 ABI 表示，并且对 volatile 对象的操作仅假设它们遵循其 ABI 要求，仅此而已。因此，无论何时在 C 或 C++ 中使用 volatile，您都可以选择依赖语言标准或平台 ABI。

（我希望这个答案不会被删除，因为有些人鄙视 volatile 语义并且取决于 ABI 和平台特定的概念。）

【讨论】：