以轻松的顺序读取共享变量：理论上可能吗？在 C++ 中可能吗？

Question

考虑以下伪代码：

expected = null;
if (variable == expected)
{
    atomic_compare_exchange_strong(
        &variable, expected, desired(), memory_order_acq_rel, memory_order_acq);
}
return variable;

在执行variable == expected 检查时观察没有“获取”语义。

在我看来，desired 总共至少会被调用一次，每个线程最多一次。
此外，如果desired 永远不会返回null，那么这段代码将永远返回null。

现在，我有三个问题：

1. 以上内容一定是真的吗？也就是说，即使每次读取都没有栅栏，我们真的可以对共享变量进行有序的读取吗？

2. 可以在 C++ 中实现吗？如果是这样，怎么做？如果不是，为什么？
   （希望有一个理由，而不仅仅是“因为标准是这样说的”。）

3. 如果 (2) 的答案是肯定的，那么是否也可以在 C++ 中实现这一点无需 要求 variable == expected 执行 原子 读取的variable？

基本上，我的目标是了解是否可以在代码完成后以与非共享变量的性能相同的方式执行共享变量的延迟初始化每个线程至少执行一次？

（这有点像“语言律师”的问题。所以这意味着问题不在于这是一个好主意还是有用的想法，而是关于在技术上是否可以正确地做到这一点。）

Answer 1

关于是否可以在 C++ 中执行共享变量的延迟初始化的问题，其性能（几乎）与非共享变量相同：

答案是，它取决于硬件架构，以及编译器和运行时环境的实现。至少，在某些环境中是可能的。特别是在带有 GCC 和 Clang 的 x86 上。

在 x86 上，可以在没有内存栅栏的情况下实现原子读取。基本上，原子读取与非原子读取相同。看看下面的编译单元：

std::atomic<int> global_value;
int load_global_value() { return global_value.load(std::memory_order_seq_cst); }

虽然我使用了具有顺序一致性（默认）的原子操作，但生成的代码并没有什么特别之处。 GCC和Clang生成的汇编代码如下：

load_global_value():
    movl global_value(%rip), %eax
    retq

我说几乎相同，因为还有其他可能影响性能的原因。例如：

• 虽然没有围栏，但原子操作仍然会阻止一些编译器优化，例如重新排序指令和消除存储和加载
• 如果至少有一个线程写入同一缓存行上的不同内存位置，则会对性能产生巨大影响（称为错误共享）

话虽如此，实现延迟初始化的推荐方法是使用std::call_once。这应该为您提供所有编译器、环境和目标架构的最佳结果。

std::once_flag _init;
std::unique_ptr<gadget> _gadget;

auto get_gadget() -> gadget&
{
    std::call_once(_init, [this] { _gadget.reset(new gadget{...}); });
    return *_gadget;
}

Answer 2

这是未定义的行为。您正在修改variable，在 至少在某些线程中，这意味着 all 访问 变量必须受到保护。特别是，当你 在一个线程中执行atomic_compare_exchange_strong， 没有什么可以保证另一个线程可能会看到 variable 的新值在它看到可能的写入之前 发生在desired()。 (atomic_compare_exchange_strong 只保证执行它的线程中的任何顺序。）