内存模型二：不同内存模型的差异

这次总结一下c++的两个内存模型。本来内存模型的概念应该是编程语言无关的。但是在众多高级编程语言中貌似只有c++支持使用不同的内存模型（Java只能使用顺序一致型内存模型）。

内存模型主要是和原子操作相关。在c++11中，一个原子对象，其load和store方法都有一个参数，用于指定操作所使用的内存序列（memory order），不同的内存序列对应不同的内存模型。

一般使用较多的主要有两个内存模型，分别是：

1. SC模型（sequentially consistent），顺序一致性内存模型。
2. AR模型（acquire/release），获取释放内存模型。

顺序一致性内存模型

SC模型，也是原子操作默认使用的内存模型。顺序一致性，说的是所有的处理器以相同的顺序看到所有的修改。可以把SC内存模型想象成：CPU和内存之间存在一个多路开关，连接到这个开关的CPU能够执行内存读写操作，因此能每一时刻有且只有一个CPU能操作内存。这意味着所有的内存操作都是串行执行的！SC模型保证了一个很强的内存顺序，如果一个原子操作A是顺序一致性的，那么它能保证，如果一个CPU观察到了A的发生，那么对于A之前的所有内存操作，都能被这个CPU观测到！上面一大段说白了其实就是：SC模型保证了一个内存操作对其它所有线程都同步（可见）。

获取释放内存模型

程序执行的序列性越强，意味着效率越低。有些时候，或许不必使一个内存操作对于所有线程均同步（比如只想在某些特定的线程同步即可），因此可以允许更高程度的乱序来提高指令执行的效率。这便是其它内存模型存在的意义。具体来说，AR模型做的是，保证了执行store和load的两个线程之间同步，对于其它不相关的线程不作执行次序的要求，因此允许了这些线程为了执行效率而乱序执行指令。

作为对上述理论的补充，下面将给出几个实例。

例子一：一写多读

这个例子较为普遍，其中一个线程负责写某个数据，其它的线程只负责读数据。首先是最简单的，使用SC内存模型（atomic的load和store默认就是std::memory_order_seq_cst），代码如下：

atmoic<int> ready(0);

//thread 0（产生任务）
//======================
task_add();
ready.store(1);


//other threads（消费任务）
//======================
while (ready.load() != 1);
task_do();

使用AR模型优化一写多读

上面的代码是可以工作的，但是若想更精准的控制线程之间的同步，就要使用AR模型了，具体代码如下：

atmoic<int> ready(0);

//thread 0（产生任务）
//======================
task_add();
ready.store(1, std::memory_order_release);


//other threads（消费任务）
//======================
while (ready.load(std::memory_order_acquire) != 1);
task_do();

如此一来，同步仅发生在必要的线程之内了！

例子二：多写多读

多写多读是例子一的扩展，一些线程负责写数据，一些线程负责读数据。同样的，先是使用SC模型：

atmoic<int> ready(0);

//some threads（产生任务）
//======================
task_add();
ready.store(1);


//other threads（消费任务）
//======================
while (ready.load() != 1);
task_do();

值得一提的是，代码和一写多读的一样！如果是使用SC模型的话，并不需要区分究竟是一个线程写数据，还是多个线程写数据。因为SC模型的效果就是，所有读写看上去都是串行的！

使用AR模型对多写多读进行错误的优化

多写多读对AR模型稍有不同，稍不注意就会跌入大坑。先看一个错误的例子：

atmoic<int> ready(0);

//some threads（产生任务）
//======================
task_add();
ready.store(1, std::memory_order_release);


//other threads（消费任务）
//======================
while (ready.load(std::memory_order_acquire) != 1);
task_do();

直接把一写多读的代码搬过来可行吗？读操作与写操作之间是有同步的，看上去似乎是没有问题。但是由于是多个线程都有机会写数据，那么多个线程的写操作之间的同步呢？

使用AR模型对多写多读进行正确的优化

atmoic<int> ready(0);

//some threads （产生任务）
//======================
task_add();
ready.exchange(1, std::memory_order_acq_rel);


//other threads（消费任务）
//======================
while (ready.load(std::memory_order_acquire) != 1);
task_do();

这样一来就保证了不同线程的写操作之间也会进行必要的同步！

总结 

当然还有其它的内存模型，比如对次序不作任何保证的Relax。不同的内存模型对多线程乱序做了不同程度的保证。在保证程序执行正确性的前提下，根据不同的应用场景选择最合适的内存模型，允许尽可能多的乱序，是提高执行效率的一种方法！