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# Release ordering

对 std::memory_order_relaxed 内存顺序的例子（list 5.6）产生了疑问，以下做一个记录。

# 前置知识

  • 同一个线程中，对不同变量的修改是有确定顺序的

    int x,y;
    x = 0;
    y = 1;

    x 变量的修改肯定发生在 y 变量的修改之前。

# 内存顺序选项

C++ 中有 6 个内存顺序选项 (memory order options)，分别是 memory_order_relaxed, memory_order_consume, memory_order_acquire, memory_order_release, memory_order_acq_rel，和 memory_order_seq_cst。

分为三组：

  • memory_order_relaxed
  • memory_order_release，memory_order_acquire
  • memory_order_seq_cst

因为 memory_order_consume 不推荐使用，就不说明了。

# Sequentially consistent ordering

std::memory_order_seq_cst，所有对原子变量的操作都是有确定的顺序的。

#include <atomic>
#include <thread>
#include <assert.h>
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); 
}

虽然 x 和 y 变量的修改在不同的线程，因为 x 和 y 的内存顺序选项是 memory_order_seq_cst，所以 x 和 y 变量的修改顺序对于所有线程都是确定的。

即在 read_x_then_y 中，如果 y 是 false，那么必定有 x 的修改在 y 的修改之前，这样 read_y_then_x 中，z 肯定会自增。

# Relaxed ordering

memory_order_relaxed，原子变量之间的操作没有同步关系。对同一个原子变量的操作之间是有确定顺序的，但对其他的线程就没有确定的顺序了。对于 memory_order_relaxed，只有一个是保证的，即同一个线程中，对同一个原子变量的访问顺序是不变的。

#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); 
 y.store(true,std::memory_order_relaxed); 
}
void read_y_then_x()
{
 while(!y.load(std::memory_order_relaxed)); 
 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); 
}
在 write_x_then_y 线程中，原子变量 x 和 y 的内存访问选项是 std::memory_order_relaxed，所以 x 和 y 没有确定的修改顺序。
在 read_y_then_x 线程中，对 x 和 y 都是第一次访问，且 x 和 y 的内存访问选项是 std::memory_order_relaxed，所以这里 x 和 y 的值没有确定的关系，x 和 y 的值可能是 false，也可能是 true。
# Acquire_release ordering
Acquire_release 比 relaxed 要好一点，因为它多了一点，对一个原子变量的修改和访问是有同步关系的。
#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_release);  <-- 2
}
void read_y_then_x()
{
 while(!y.load(std::memory_order_acquire)); <-- 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); 
}
这里，2 和 3 是同步的，即 3 必定在 2 之后。又由于 x 和 y 变量的修改在同一个线程里，所以 2 在 1 之后。然后 4 在 3 之后，因此 4 在 1 之后，所以最后 x 为 true。
# 关于 Relaxed ordering 的疑问
#include <thread>
#include <atomic>
#include <iostream>
std::atomic<int> x(0),y(0),z(0); 
std::atomic<bool> go(false); 
unsigned const loop_count=10;
struct read_values
{
 int x,y,z;
};
read_values values1[loop_count];
read_values values2[loop_count];
read_values values3[loop_count];
read_values values4[loop_count];
read_values values5[loop_count];
void increment(std::atomic<int>* var_to_inc,read_values* values)
{
 while(!go) 
 std::this_thread::yield();
 for(unsigned i=0;i<loop_count;++i)
 {
 values[i].x=x.load(std::memory_order_relaxed);
 values[i].y=y.load(std::memory_order_relaxed);
 values[i].z=z.load(std::memory_order_relaxed);
 var_to_inc->store(i+1,std::memory_order_relaxed); 
 std::this_thread::yield();
 }
}
void read_vals(read_values* values)
{
 while(!go) 
 std::this_thread::yield();
 for(unsigned i=0;i<loop_count;++i)
 {
 values[i].x=x.load(std::memory_order_relaxed);
 values[i].y=y.load(std::memory_order_relaxed);
 values[i].z=z.load(std::memory_order_relaxed);
 std::this_thread::yield();
 }
}
void print(read_values* v)
{
 for(unsigned i=0;i<loop_count;++i)
 {
 if(i)
 std::cout<<",";
 std::cout<<"("<<v[i].x<<","<<v[i].y<<","<<v[i].z<<")";
 }
 std::cout<<std::endl;
}
int main()
{
 std::thread t1(increment,&x,values1);
 std::thread t2(increment,&y,values2);
 std::thread t3(increment,&z,values3);
 std::thread t4(read_vals,values4);
 std::thread t5(read_vals,values5);
 go=true; 
 t5.join();
 t4.join();
 t3.join();
 t2.join();
 t1.join();
 print(values1); 
 print(values2);
 print(values3);
 print(values4);
 print(values5);
}
书中描述这个程序的可能输出是这样的：
(0,0,0),(1,0,0),(2,0,0),(3,0,0),(4,0,0),(5,7,0),(6,7,8),(7,9,8),(8,9,8),(9,9,10)
(0,0,0),(0,1,0),(0,2,0),(1,3,5),(8,4,5),(8,5,5),(8,6,6),(8,7,9),(10,8,9),(10,9,10)
(0,0,0),(0,0,1),(0,0,2),(0,0,3),(0,0,4),(0,0,5),(0,0,6),(0,0,7),(0,0,8),(0,0,9)
(1,3,0),(2,3,0),(2,4,1),(3,6,4),(3,9,5),(5,10,6),(5,10,8),(5,10,10),(9,10,10),(10,10,10)
(0,0,0),(0,0,0),(0,0,0),(6,3,7),(6,5,7),(7,7,7),(7,8,7),(8,8,7),(8,8,9),(8,8,9)
这里观察 values1 和 values2 两个数组，线程 1 修改 x 变量，线程 2 修改变量。
由于线程 1，2，3 都是单独自增同一个变量，内存顺序选项是 std::memory_order_relaxed，因此 t1 能看到 x 变量从 0 递增到 10。
观察 values1 的 (5,7,0)，可理解为 x 自增为 5 的时候，y 的变量已经自增到 7 了；观察 values2 的 (8,5,5)，可理解为 y 自增为 5 的时候，x 的变量已经自增到 8 了。也就是说 y 变量自增的比 x 变量慢，但 values1 的 (5,7,0) 却不是，这样似乎就矛盾了。如果 x 为 5 的时候，y 为 7，那 y 为 5 的时候，x 怎么可能为 8 呢？看似矛盾的点其实有一个问题，因为以上结论是从两个角度观察而得出的，既有线程 1 的视角，又有线程 2 的视角。而 memory_order_relaxed 代表每个线程看到的顺序可以是不同的，所以线程 1 看 y 变量的修改和线程 2 看 x 变量的修改是独立的，分开的，没有关系的，只需要遵循线程 1 看到的 y 值是大于等于之前的 y 值即可。
至于以上的矛盾，要怎么用一种可能执行来解释，其实这是没有必要的，因为这个输出可能并不代表它的真实运行结果，因为编译器只需要保证程序的输出符合 C++ 标准规定的限制条件。就比如 const 变量是无法修改的，但可以通过异常的语句来修改对应的变量，使得变量的地址处保存了更新的值，但如果程序之后再使用这个 const 变量，编译器仍会使用 const 变量原来的值，因为编译器知道它是常量，在给寄存器赋值的时候，直接使用了常量的值，而不是 const 变量地址处的值。
# 2024/06/03 更新
在学习完 7.2.5 小节之后，终于明白了原因。假设 y 的更新比 x 快，即 values1 的 (5,7,0) 成立，在 values2 的 (8,5,5) 也可以成立。因为虽然 y 的值此时是 5，但 x 的值的修改在另外的线程，且是 relaxed 的内存顺序，所以读取 x 的值时，可以在 x 更新到 8,9,10 都行，就因为没有 happens-before 关系。
参考 7.2.5 小节的代码，else 分支的 delete ptr 语句需要保证在 if 分支的 res.swap(ptr->data) 之后执行，即需要保证对 ptr 指针的引用是 happens-before 关系，因此 ptr->internal_count.fetch_add 的内存顺序是 std::memory_order_acquire。至于在原代码中不是 acquire，而是 std::memory_order_relaxed 的原因是 else if 内部的 internal_count 会使用 acquire。