原子操作和原子类型

标准原子类型

标准原子类型定义在头文件 中。这些类型的操作都是原子的，语言定义中只有这些类型的操作是原子的，也可以用互斥锁来模拟原子操作。标准原子类型的实现可能是这样的：它们几乎都有一个is_lock_free() 成员函数，这个函数可以让用户查询某原子类型的操作是直接用的原子指令（x.is_lock_free() 返回 true），还是内部用了一个锁结构（x.is_lock_free() 返回 false）。

只有 std::atomic_flag 类型不提供 is_lock_free()。该类型是一个简单的布尔标志，并且在这种类型上的操作都是无锁的。当有一个简单无锁的布尔标志时，可以使用该类型实现一个简单的锁，并且可以实现其他基础原子类型。剩下的原子类型都可以通过特化 std::atomic<> 得到，并且拥有更多的功能，但不可能都是无锁的。主流平台上，原子变量都是无锁的内置类型（例如 std::atomic 和 std::atomic<void*>）。

标准原子类型的备选名和与其相关的 std::atomic<> 特化类：

原子类型	相关特化类
atomic_bool	std::atomic<bool>
atomic_char	std::atomic<char>
atomic_schar	std::atomic<signed char>
atomic_uchar	std::atomic<unsigned char>
atomic_int	std::atomic<int>
atomic_uint	std::atomic<unsigned>
atomic_short	std::atomic<short>
atomic_ushort	std::atomic<unsigned short>
atomic_long	std::atomic<long>
atomic_ulong	std::atomic<unsigned long>
atomic_llong	std::atomic<long long>
atomic_ullong	std::atomic<unsigned long long>
atomic_char16_t	std::atomic<char16_t>
atomic_char32_t	std::atomic<char32_t>
atomic_wchar_t	std::atomic<wchar_t>

对于 std::atomic 模板，使用特化模板的方式要好于使用别名的方式。

通常，标准原子类型不能进行拷贝和赋值，它们没有拷贝构造函数和拷贝赋值操作符。但是，可以隐式转化成对应的内置类型，所以这些类型依旧支持赋值，可以使用 load()、store()、exchange()、compare_exchange_weak() 和 compare_exchange_strong()。它们都支持复合赋值符：+=, -=, *=, |= 等等。并且使用整型和指针的特化类型还支持 ++ 和 – 操作。当然，这些操作也有功能相同的成员函数所对应：fetch_add()、fetch_or() 等等。

++

每种函数类型的操作都有一个内存序参数，这个参数可以用来指定存储的顺序，操作分为三类：

• store 操作，可选如下内存序：memory_order_relaxed、memory_order_release、memory_order_seq_cst
• load 操作，可选如下内存序：memory_order_relaxed、memory_order_consume、memory_order_acquire、memory_order_seq_cst
• read-modify-write（读-改-写）操作，可选如下内存序：memory_order_relaxed、memory_order_consume、memory_order_acquire、memory_order_release、memory_order_acq_rel、memory_order_seq_cst

std::atomic_flag

std::atomic_flag 是最简单的原子类型，这个类型的对象可以在两个状态间切换：设置和清除。就是这么简单，只作为构建块存在。正因如此，它将作为讨论其他原子类型的起点，因为它会展示原子类型可使用的策略。

std::atomic_flag 类型的对象必须被 ATOMIC_FLAG_INIT 初始化。初始化标志位是“清除”状态。这里没得选择，这个标志总是初始化为“清除”。这适用于任何对象的声明，是唯一需要以如此特殊的方式初始化的原子类型，但也是唯一保证无锁的类型。首次使用时，需要初始化。

当 std::atomic_flag 对象已初始化，只能做三件事情：销毁、清除、查询并设置。这些操作对应的函数分别是：clear() 成员函数和 test_and_set()成员函数（设置新值并返回旧值）。

不能拷贝构造 std::atomic_flag 对象，不能将一个对象赋予另一个 std::atomic_flag 对象。这不是 std::atomic_flag 特有的属性，而是所有原子类型共有的属性。原子类型的所有操作都是原子的，而赋值和拷贝调用了两个对象，这就就破坏了操作的原子性。这样的话，拷贝构造和拷贝赋值都会将第一个对象的值进行读取，然后再写入另外一个。对于两个独立的对象，这里就有两个独立的操作了，合并这两个操作必定是不原子的。因此，操作就不被允许。

有限的特性使得 std::atomic_flag 非常适合于作自旋锁。初始化标志是“清除”，并且互斥量处于解锁状态。为了锁上互斥量，循环运行 test_and_set() 直到旧值为 false，就意味着这个线程已经被设置为 true 了。解锁互斥量是一件很简单的事情，将标志清除即可。

class spinlock_mutex {
  std::atomic_flag flag;
public:
  spinlock_mutex(): flag(ATOMIC_FLAG_INIT) {}
  void lock() {
    while(flag.test_and_set(std::memory_order_acquire));
  }
  void unlock() {
    flag.clear(std::memory_order_release);
  }
};

std::atomic

std::atomic_flag 的局限性太强，没有非修改查询操作，甚至不能像普通的布尔标志那样使用。所以，实际操作中最好使用 std::atomic。std::atomic 不保证 lock-free，可以用is_lock_free 检验在当前平台上是否 lock-free。

最基本的原子整型类型就是 std::atomic，它有着比 std::atomic_flag 更加齐全的布尔标志特性。虽然不能拷贝构造和拷贝赋值，但可以使用非原子的 bool 类型进行构造，所以可以初始化为true 或 false，并且可以从非原子 bool 变量赋值给 std::atomic。

虽然有内存序的指定，但使用 store() 写入（true 或 false）还是好于 std::atomic_flag 中的 clear()。同样，test_and_set() 也可以替换为更加通用的 exchange()，exchange() 允许使用新选的值替换已存储的值，并且返回原始值。std::atomic 也支持对值的查找，其会将对象隐式的转换为普通的 bool 值，或显示的调用 load() 来完成。store() 是一个存储操作，而load() 是一个加载操作，exchange() 是一个“读-改-写”操作：

std::atomic<bool> b;
bool x = b.load(std::memory_order_acquire);
b.store(true);
x = b.exchange(false, std::memory_order_acq_rel);

std::atomic 提供多个“读-改-写”的操作，exchange() 只是其中之一。它还介绍了一种新的存储方式：当前值与预期值一致时，存储新值的操作。这种新型操作叫做“比较/交换”，它的形式表现为 compare_exchange_weak() 和 compare_exchange_strong()。“比较/交换”操作是原子类型编程的基石，它比较原子变量的当前值和期望值，当两值相等时，存储所提供值。当两值不等，期望值就会被更新为原子变量中的值。“比较/交换”函数值是一个 bool 变量，当返回 true 时执行存储操作，false 则更新期望值。

// 以 compare_exchange_weak 为例
// 将 a 的值与 x 比较，如果相等则把 y 赋给 a，否则把 a 赋给 x
a.compare_exchange_weak(x, y);

对于 compare_exchange_weak()，当原始值与预期值一致时，存储也可能会不成功。在这种情况中变量的值不会发生改变，并且 compare_exchange_weak() 的返回值是 false。这最可能发生在缺少单条 CAS 操作的机器上，当处理器不能保证这个操作能够原子的完成，称为“伪失败”（spurious failure）。

因为 compare_exchange_weak() 可以伪失败，所以通常会配合一个循环使用：

bool expected = false;
atomic<bool> b;
while(!b.compare_exchange_weak(expected, true) && !expected);

这个例子中，循环中 expected 的值始终是 false，表示 compare_exchange_weak() 会莫名的失败。

另一方面，当实际值与 expected 不符，compare_exchange_strong() 就能保证值返回 false。这就能消除对循环的需要，就可以知道是否成功的改变了一个变量，或已让另一个线程完成。

std::atomic<T*>

原子指针类型，可以使用内置类型或自定义类型 T，通过特化 std::atomic<T*> 进行定义，操作是针对于相关类型的指针。虽然既不能拷贝构造，也不能拷贝赋值，但是可以通过合适的类型指针进行构造和赋值。std::atomic<T*> 也有 load()、store()、exchange()、compare_exchange_weak() 和 compare_exchage_strong() 成员函数，获取与返回的类型都是 T*。

std::atomic<T*> 为指针运算提供新的操作。基本操作有 fetch_add() 和 fetch_sub()（它们在存储地址上做原子加法和减法），以及 +=、-=、++ 和 –。举个例子，x 是std::atomic<Foo*> 类型的数组的首地址址，x.ftech_add(3) 让 x 指向第四个元素，并且函数返回指向第一个元素的地址

这种操作也被称为“交换-相加”。正像其他操作那样，返回值是一个普通的 T* 值，而非是std::atomic<T*> 对象的引用，所以调用代码可以基于之前的值进行操作：

class Foo{};
Foo some_array[5];
std::atomic<Foo*> p(some_array);
Foo *x = p.fetch_add(2);  // p加2，并返回原始值
assert(x == some_array);
assert(p.load() == &some_array[2]);
x = (p -= 1);  // p减1，并返回原始值
assert(x == &some_array[1]);
assert(p.load() == &some_array[1]);

标准原子整型的相关操作

如同普通的操作集合一样（load()、store()、exchange()、compare_exchange_weak() 和 compare_exchange_strong()），std::atomic 和 std::atomic 也是有一套完整的操作可以供使用：fetch_add()、fetch_sub()、fetch_and()、fetch_or()、fetch_xor()，还有复合赋值方式（+=、-=、&=、|= 和 ^=），以及 ++ 和 –。虽然对于普通的整型来说，这些复合赋值方式还不完全：除法、乘法和移位操作不在其中。因为，整型原子值通常用来作计数器，或者是掩码，所以以上操作的缺失显得不是那么重要。如果需要，可以使用compare_exchange_weak() 完成。

std::atomic<> 类模板

模板允许用户使用自定义类型创建一个原子变量（除了标准原子类型之外），需要满足一定的标准才可以使用 std::atomic<>。为了使用 std::atomic（UDT 是用户定义类型），这个类型必须有拷贝赋值运算符，且必须是合成拷贝赋值运算符。这意味着这个类型不能有任何虚函数或虚基类，且其中所有的基类和非静态数据成员也都需要支持拷贝赋值操作。这（基本上）就允许编译器使用 memcpy 或赋值操作的等价操作，因为实现中没有用户代码。

以上严格的限制都是依据第 3 章中的建议：不要将锁定区域内的数据以引用或指针的形式，作为参数传递给用户提供的函数。通常情况下，编译器不会为 std::atomic 生成无锁代码，所以所有操作使用一个内部锁。如果允许用户提供的拷贝赋值或比较操作，就需要传递保护数据的引用作为参数，这就有悖于指导意见了。因为这些限制可以让编译器将用户定义的类型当作为一组原始字节，所以编译器可以对 std::atomic 直接使用原子指令（因此实例化一个特殊无锁结构）。

注意，虽然使用 std::atomic 或 std::atomic（内置浮点类型满足使用 memcpy 和 memcmp 的标准），但是在 compare_exchange_strong 函数中的表现可能会令人惊讶。当存储的值与当前值相等时，这个操作也可能失败，可能因为旧值是一个不同的表达。这就不是对浮点数的原子计算操作了。在使用 compare_exchange_strong 函数的过程中，可能会遇到相同的结果，如果你使用 std::atomic<> 特化一个用户自定义类型，且这个类型定义了比较操作，而这个比较操作与 memcmp 又有不同，则操作可能会失败，因为两个相等的值拥有不同的表达方式。

如果 UDT 类型的大小如同（或小于）一个 int 或 void* 类型时，大多数平台将会对 std::atomic 使用原子指令。有些平台可能会对两倍于 int 或 void* 大小的用户自定义类型特化的 std::atmic<> 使用原子指令。这些平台通常支持所谓的“双字节比较和交换”（double-word-compare-and-swap，DWCAS）指令，这个指令与 compare_exchange_weak()/compare_exchange_strong() 相关联。指令的支持，对于写无锁代码是有很大的帮助。

当使用用户定义类型 T 进行实例化时，std::atomic 的可用接口就只有: load()、store()、exchange()、compare_exchange_weak()、compare_exchange_strong() 和赋值操作，以及向类型 T 转换的操作。

原子操作的非成员函数

除了每个类型各自的成员函数，原子操作库还提供了通用的非成员函数，只不过函数名多了一个 atomic_ 前缀，参数变为指针类型：

std::atomic<int> i(42);
int j = std::atomic_load(&i);  // i.load()

每个非成员函数有一个 _explicit 后缀版本，可多接受一个 std::memory_order 参数：

std::atomic<int> i(42);
std::atomic_load_explicit(&i, std::memory_order_acquire);  // i.load(std::memory_order_acquire)

非成员函数的设计主要考虑的是 C 语言没有引用而只能使用指针，compare_exchange_weak 和 compare_exchange_strong 的第一个参数是引用，因此 std::atomic_compare_exchange_weak 和 std::atomic_compare_exchange_strong 的参数用的是指针：

bool compare_exchange_weak(T& expected, T desired,
    std::memory_order success, 
    std::memory_order failure);

template<class T>
bool atomic_compare_exchange_weak(std::atomic<T>* obj, 
    typename std::atomic<T>::value_type* expected,
    typename std::atomic<T>::value_type desired);

template<class T>
bool atomic_compare_exchange_weak_explicit(std::atomic<T>* obj,
    typename std::atomic<T>::value_type* expected, 
    typename std::atomic<T>::value_type desired,
    std::memory_order succ, 
    std::memory_order fail);

std::atomic_flag 对应的非成员函数的前缀不是 atomic_ 而是 _atomic_flag_，但接受 std::memory_order 参数的版本一样是 _explicit 后缀：

std::atomic_flag x =  ATOMIC_FLAG_INIT;
bool y = std::atomic_flag_test_and_set_explicit(&x, std::memory_order_acquire);
std::atomic_flag_clear_explicit(&x, std::memory_order_release);

非成员函数不仅可用于原子类型，还为 std::shared_ptr 提供了特化版本：

std::shared_ptr<int> p(new int(42));
std::shared_ptr<int> x = std::atomic_load(&p);
std::shared_ptr<int> q;
std::atomic_store(&q, p);

这些特化将在 c++20 中弃用，c++20 直接允许 std::atomic 的模板参数为 std::shared_ptr：

std::atomic<std::shared_ptr<int>> x; // c++20

原子操作的内存序

虽然内存序有六种，但是理解了四种同步的情形基本就差不多了。

relaxed ordering（memory_order_relaxed）

在这种情况下，同一线程中对于同一变量的操作还是遵从先行关系，但不同线程不需要规定顺序。唯一的要求是在访问同一线程中的单个原子变量不能重排序，当给定线程看到原子变量的值时，随后线程的读操作就不会去检索较早的那个值。

#include <atomic>
#include <thread>
#include <assert.h>

std::atomic<bool> x,y;
std::atomic<int> z;

void write_x_then_y() {
  x.store(true,std::memory_order_relaxed);  // 1
  y.store(true,std::memory_order_relaxed);  // 2
}
void read_y_then_x() {
  while (!y.load(std::memory_order_relaxed));  // 3
  if (x.load(std::memory_order_relaxed))  // 4
    ++z;
}
int main() {
  x = false;
  y = false;
  z = 0;
  std::thread a(write_x_then_y);
  std::thread b(read_y_then_x);
  a.join();
  b.join();
  assert(z.load() != 0);  // 5
}

在上面这段代码中 assert 5 可能会触发，因为加载 x 的操作 4 可能读取到 false，即使加载 y 的操作 3 读取到 true，并且存储 x 的操作 1 先发与存储 y 的操作 2。x 和 y 是两个不同的变量，所以没有顺序去保证每个操作产生相关值的可见性。

在单个线程内，所有原子操作是顺序进行的，也就是代码顺序。这就是唯一的限制了。两个来自不同线程的原子操作的顺序是任意的，即所有线程看到的全局顺序并不是一致的。

为了了解自由序是如何工作的，可先将每一个变量想象成在一个独立房间中拿着记事本的人。他的记事本上是一组值的列表，可以通过打电话的方式让他给你一个值，或让他写下一个新值。如果告诉他写下一个新值，他会将这个新值写在表的最后。如果让他给你一个值，他会从列表中读取一个值给你。

第一次与这人交谈时，如果问他要一个值，他可能会在现有的列表中选区任意值告诉你。如果之后再问他要一个值，可能会得到与之前相同的值，或是列表下端的其他值，他不会给你列表上端的值。如果让他写一个值，并且随后再问他要一个值，他要不就给你你刚告诉他的那个值，要不就是一个列表下端的值。

试想当他的笔记本上开始有 5，10，23，3，1，2 这几个数。如果问他索要一个值，你可能获取这几个数中的任意一个。如果他给你 10，那么下次再问他要值的时候可能会再给你 10，或者 10 后面的数，但绝对不会是 5。如果那你问他要了五次，他就可能回答“10，10，1，2，2”。如果你让他写下 42，他将会把这个值添加在列表的最后。如果你再问他要值，他可能会告诉你“42”，直到有其他值写在了后面，并且他愿意将那个数告诉你。

现在，你有个朋友叫 Carl，他也有那个计数员的电话。Carl 也可以打电话给计算员，让他写下一个值或获取一个值，他对 Carl 回应的规则和你是一样的。他只有一部电话，所以一次只能处理一个人的请求，所以他记事本上的列表是一个简单的列表。但是，你让他写下一个新值的时候，不意味着他会将这个消息告诉 Carl，反之亦然。如果 Carl 从他那里获取一个值“23”，之后因为你告诉他写下 42，这不意味着下次他会将这件事告诉 Carl。他可能会告诉 Carl 任意一个值，23，3，1，2，42 亦或是 67（是 Fred 在你之后告诉他的）。他会很高兴的告诉 Carl “23，3，3，1，67”，与你告诉他的值完全不一致，

这就让自由的原子操作变得难以处理，他们必须与原子操作结合使用，这些原子操作必须有较强的排序语义。为了让内部线程同步变得更有用，强烈建议避免自由序的原子操作，除非它们是硬性要求的，并且使用时需要十二分的谨慎。要想获取额外的同步，且不使用全局排序一致，可以使用 release & acquire。

release & acquire（memory_order_release、memory_order_acquire）

来自不同线程的两个原子操作顺序不一定，为了限制一下它们的顺序，这就需要两个线程进行一下同步（synchronize-with），同步对一个变量的读写操作。线程 A 原子性地把值写入 x (release), 然后线程 B 原子性地读取 x 的值（acquire）。这样线程 B 保证读取到 x 的最新值。线程 A 中所有发生在 release x 之前的写操作，对在线程 B acquire x 之后的任何读操作都可见。本来 A、B 间读写操作顺序不定。这么一同步，在 x 这个点前后， A、B 线程之间有了个顺序关系，称作 inter-thread happens-before。

对于读操作，使用 memory_order_acquire，对于写操作，使用memory_order_release，对于读-改-写操作，使用 memory_order_acq_rel。

#include <assert.h>
#include <atomic>
#include <thread>

std::atomic<bool> x, y;
std::atomic<int> z;
void write_x() { x.store(true, std::memory_order_release); }

void write_y() { y.store(true, std::memory_order_release); }

void read_x_then_y() {
  while (!x.load(std::memory_order_acquire));
  if (y.load(std::memory_order_acquire))
    ++z;
}

void read_y_then_x() {
  while (!y.load(std::memory_order_acquire));
  if (x.load(std::memory_order_acquire))
    ++z;
}
int main() {
  x = false;
  y = false;
  z = 0;
  std::thread a(write_x);
  std::thread b(write_y);
  std::thread c(read_x_then_y);
  std::thread d(read_y_then_x);
  a.join();
  b.join();
  c.join();
  d.join();
  assert(z.load() != 0);
}

上面的示例中，assert 可能发生中断。主函数开了四个线程，其中两个写，两个读。线程 read_x_then_y 保证 x.load 一定发生在 x.store 之后（通过 while 保证的），但 y.load 是不是发生在 y.store 之后并没有保证。

为了让 release & acquire 发挥作用，需要把 x.store 和 y.store 放在一个线程中：

#include <assert.h>
#include <atomic>
#include <thread>

std::atomic<bool> x, y;
std::atomic<int> z;

void write_x_then_y() {
  x.store(true, std::memory_order_relaxed);
  y.store(true, std::memory_order_release);
}

void read_y_then_x() {
  while (!y.load(std::memory_order_acquire));
  if (x.load(std::memory_order_relaxed))
    ++z;
}

int main() {
  x = false;
  y = false;
  z = 0;
  std::thread a(write_x_then_y);
  std::thread b(read_y_then_x);
  a.join();
  b.join();
  assert(z.load() != 0);
}

release & acquire 内存序保证同一个原子变量的 release 之前的写操作对 acquire 以后的读操作是可见的，所以说 x.load 一定发生在 x.store 之后，z 必然等于 1。

下面展示一个使用 release & acquire 传递同步的例子：

std::atomic<int> data[5];
std::atomic<bool> sync1(false), sync2(false);

void thread_1() {
  data[0].store(42, std::memory_order_relaxed);
  data[1].store(97, std::memory_order_relaxed);
  data[2].store(17, std::memory_order_relaxed);
  data[3].store(-141, std::memory_order_relaxed);
  data[4].store(2003, std::memory_order_relaxed);
  sync1.store(true, std::memory_order_release);  // 1.设置sync1
}

void thread_2() {
  while (!sync1.load(std::memory_order_acquire));  // 2.直到sync1设置后，循环结束
  sync2.store(true, std::memory_order_release);  // 3.设置sync2
}

void thread_3() {
  while (!sync2.load(std::memory_order_acquire));  // 4.直到sync2设置后，循环结束
  assert(data[0].load(std::memory_order_relaxed) == 42);
  assert(data[1].load(std::memory_order_relaxed) == 97);
  assert(data[2].load(std::memory_order_relaxed) == 17);
  assert(data[3].load(std::memory_order_relaxed) == -141);
  assert(data[4].load(std::memory_order_relaxed) == 2003);
}

这个例子中，可将 sync1 和 sync2 通过在 thread_2 中使用“读-改-写”操作合并成一个独立的变量。其中会使用 compare_exchange_strong() 来保证 thread_1 对变量只进行一次更新：

std::atomic<int> sync(0);
void thread_1() {
  ...
  sync.store(1, std::memory_order_release);
}

void thread_2() {
  int expected = 1;
  while (!sync.compare_exchange_strong(expected, 2, std::memory_order_acq_rel)) {
    expected = 1;
  }
}

void thread_3() {
  while (sync.load(std::memory_order_acquire) < 2);
  ...
}

release & consume（memory_order_release、memory_order_consume）

如果只想同步一个 x 的写操作，结果把 release 之前的所有写操作都同步了，为了避免这个额外开销可以使用 release & consume。同步还是一样的同步：在线程 B acquire x 之后的读操作中，有一些是依赖于 x 的值的读操作。同理在线程 A 里面, release x 也有一些它所依赖的其他写操作，这些写操作自然发生在 release x 之前。只有上述的读操作能看到上述的写操作。

struct X {
  int i;
  std::string s;
};

std::atomic<X*> p;
std::atomic<int> a;

void create_x() {
  X* x = new X;
  x->i = 42;
  x->s = "hello";
  a.store(99, std::memory_order_relaxed);
  p.store(x, std::memory_order_release);
}

void use_x() {
  X* x;
  while (!(x = p.load(std::memory_order_consume)))
    std::this_thread::sleep(std::chrono::microseconds(1));
  assert(x->i == 42);  // 1
  assert(x->s == "hello");  // 2
  assert(a.load(std::memory_order_relaxed) == 99);  // 3
}

int main() {
  std::thread t1(create_x);
  std::thread t2(use_x);
  t1.join();
  t2.join();
}

存储 a 在存储 p 之前，并且存储 p 的操作标记为 memory_order_release，加载 p 的操作标记为 memory_order_consume，所以存储 p 仅先行那些需要加载 p 的操作。因为对 x 变量操作的表达式对加载 p 的操作携带有依赖，所以 X 结构体中数据成员所在的断言语句 1、2 不会被触发。另一方面，对于加载变量 a 的断言 3 就不能确定是否能触发，因为这个操作标记为 memory_order_relaxed，所以这个操作并不依赖于 p 的加载操作，也无法保证已经读取数据。

memory_order_consume 很特别：完全依赖于数据。这个内存序非常特殊，即使在 C++17 中也不推荐使用。这里只为了完整的覆盖内存序而讨论，memory_order_consume 不应该出现在代码中。

sequential consistency（memory_order_seq_cst）

理解了前面的几个，顺序一致性就最好理解了。release && acquire 只同步一个 x，顺序一致则是对所有的变量的所有原子操作都同步。这样的话，所有线程的原子操作的执行顺序都是一样的，即所有线程看到的全局顺序是一致的。

#include <assert.h>
#include <atomic>
#include <thread>

std::atomic<bool> x, y;
std::atomic<int> z;

void write_x() { x.store(true, std::memory_order_seq_cst); }

void write_y() { y.store(true, std::memory_order_seq_cst); }

void read_x_then_y() {
  while (!x.load(std::memory_order_seq_cst));
  if (y.load(std::memory_order_seq_cst))
    ++z;
}

void read_y_then_x() {
  while (!y.load(std::memory_order_seq_cst));
  if (x.load(std::memory_order_seq_cst))
    ++z;
}

int main() {
  x = false;
  y = false;
  z = 0;
  std::thread a(write_x);
  std::thread b(write_y);
  std::thread c(read_x_then_y);
  std::thread d(read_y_then_x);
  a.join();
  b.join();
  c.join();
  d.join();
  assert(z.load() != 0);
}

上面的示例中，assert 永远不会造成中断，其运行情况可以分为三种：

• 对于 read_x_then_y 线程来说，如果在 read_x_then_y 中加载 y 返回 false，这说明是因为存储 x 的操作发生在存储 y 的操作之前。那么线程 read_y_then_x 看到的顺序也是如此，则在 read_y_then_x 中加载 x 必定会返回 true，此时 z 会自增
• 上面情况的对称
• 不管 x.store 和 y.store 谁先发生，如果 load 都发生在 store 之后，那么 z 会自增两次

内存栅栏

内存栅栏操作会对内存序列进行约束，使其无法对任何数据进行修改，典型的做法是与使用 memory_order_relaxed 约束序的原子操作一起使用。内存栅栏属于全局操作，执行栅栏操作可以影响到在线程中的其他原子操作。这类操作就像画了一条任何代码都无法跨越的线一样。

给在不同线程上的两个原子操作中添加一个栅栏，可以让自由操作变的有序：

#include <assert.h>
#include <atomic>
#include <thread>

std::atomic<bool> x, y;
std::atomic<int> z;

void write_x_then_y() {
  x.store(true, std::memory_order_relaxed);             // 1
  std::atomic_thread_fence(std::memory_order_release);  // 2
  y.store(true, std::memory_order_relaxed);             // 3
}

void read_y_then_x() {
  while (!y.load(std::memory_order_relaxed));           // 4
  std::atomic_thread_fence(std::memory_order_acquire);  // 5
  if (x.load(std::memory_order_relaxed))                // 6
    ++z;
}

int main() {
  x = false;
  y = false;
  z = 0;
  std::thread a(write_x_then_y);
  std::thread b(read_y_then_x);
  a.join();
  b.join();
  assert(z.load() != 0);  // 7
}

因为加载 y 的操作 4 读取 3 处存储的值，所以释放栅栏 2 与获取栅栏 5 同步。1 处存储 x 先行于 6 处加载 x，最后 x 读取出来必为 true，并且不会触发断言 7。原先不带栅栏的存储和加载 x 是无序的，并且断言是可能会触发。这两个栅栏都是必要的：需要在一个线程中进行释放，然后在另一个线程中进行获取，这样才能构建同步关系。

参考

C++ 多线程设计（二） - 无锁并发数据结构设计
如何理解 C++11 的六种 memory order？
C++11中的内存模型上篇 - 内存模型基础