系统相关
首页 > 系统相关> > cpp并发内存模型（一）

cpp并发内存模型（一）

作者：互联网

理解了 c++ concurrency in action 5.3.4 小节的内容：Release sequences and synchronizes-with后，对C++ consistency model本质的理解非常有好处.

另外读过lamport 的经典论文Time, Clocks, and the Ordering of Events in a Distributed System对理解 C++ memory order 也很有好处.

JAVA 与C++ 的内存模型同根同源，都出自与DRF0.

以下是我的理解，有错误地方，请指出，谢谢！

从cpu 角度讲：

  1. 每个 cpu 按照自己的 clock 在自己世界里独立乱序执行.
  2. 当某个cpu0对某个原子变量X进行了X.store(a, …)操作，且memory_order的参数不管是什么；然后cpu1 通过X.load(…), 且memory_order 参数不管是什么，如果(不一定立即)cpu1看到了cpu0对X的修改结果a(这期间没有其他cpu修改X), 那么我们一定可以确认 X.store(a) 这个事件一定是发生在X.load() 事件之前(好像是废话，但很重要)。这就好比 lamport 论文中 cpu0 给cpu1 发送了一个消息 ，cpu1 接受了这个消息, 那这个 发送消息事件一定是在接收消息事件之前发生.
  3. 总结上面两点:每个cpu的运行是各自独立的，一旦两个cpu之间通过对共享原子变量进行操作(至少有一个为store or RMW, 但不能两个都为store)就好比是 一个cpu 发送了消息，一个接受到了这条消息，此时，发送消息这个事件与接受消息这个事件就产生了先后关系，我们可以称为一个同步点(synchronizes point)

从Lock-free 程序设计角度：

  1. 从Lock-free程序设计角度，我们就是需要借助这个synchronizes point，来同步更多的事件来达到我们想要的memory consistency model.比如C++ Release-Acquire 语义, 我们通过在某个synchronizes point的两端施加相对应的memory barrier(内存栅栏或者内存屏障)这样我们就获得了更多的同步关系，即C++ memory consistency model 的Acquire-Release 语义.

注意:一定要在synchronizes point的两端都要加memory barrier .

memory barrier 从程序员的角度看，是对单个cpu内部 执行内存操作指令顺序的一种局部 限制,而这个synchronizes point 建立了 cpu 之间的一种运行时 先后关系，这样我们就可以获得CPU 之间的更多的先后关系.

  1. 另外上面的synchronizes point 是在运行期建立的, 即：cpu1在运行过程中确实看到了cpu0对同一原子变量写入的那个值, 则cpu1 与cpu0 在这个时刻的synchronizes point 建立。

另外下面是，我们在设计Lock-Free 程序时，需要注意的:

  1. C++ memory consistency model 标准从语义上讲定义的是原子变量操作之间内存可见性的顺序, 并没有保证单个原子变量操作的内存立即可见性.

    1. 即使是最严格sequentially consistency memory model 的 x.store(a, seq_cst), x.load(seq_cst) 操作, 我们也不能假设x.load(seq_cst) 一定能读到最新值.虽然在具体实现层面(不同平台)，会读到x的最新值.
    2. 如果在特殊应用场景，我们需要保证原子变量立即可见性，则可以根据具体的平台实现，来调用对应的cpu指令。比如在X86 平台上mfence指令;比如BRPC 中对 worksteal queue 的实现.

  2. 原子变量RMW操作的立即可见性性质。如果cpu0 对x 进行了修改操作(包括RMW)， cpu1立即读x(包括RWM),cpu1都不一定能拿到最新值,以下情况除外：cpu0 与 cpu1 对x的操作都是是RMW 操作(比如CAS, fetch_add ), 指定的memory order 任意都可以.

  3. synchronizes-with relationship 专指线程之间的关系.happens-before 包括线程内部.

  4. 原子变量 + memory barrier 实现了memory consistency model语义, 而memory consistency model 语义是 一切上层建筑(锁等)的基础, 比如：unlock-lock 就是满足Release-Acquire 语义，所以在临界区内修改数据就是安全的，且这些数据可以为非原子操作, 因为两个线程不会同时进入临界区，他们好像被限制了执行顺序一样.

  5. modification order 的定义:

参考 https://en.cppreference.com/w/cpp/atomic/memory_order

  1. Release sequence 与synchronizes-with : 参考c++ concurrency in action 5.3.4

标签：synchronizes,point,cpu0,cpu1,并发,内存,memory,cpp,cpu
来源： https://blog.csdn.net/qq_43325061/article/details/118437115