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C++多线程内存顺序的理解和应用

2023-07-05 04:11:03 深夜i -- --

C++ 多线程内存顺序理解应用

在计算机科学领域中，多线程编程已经成为了日常工作的一部分。在这些并发性应用程序中，一些共享的内存是多个线程同时访问的。在这个过程中，必须遵循一些规则以保证应用程序的正确性和可靠性。其中最重要的规则之一是“内存顺序”问题，这是使用 C++ 多线程编程时需要重视的问题之一。

什么是内存顺序？

在多线程编程中，内存顺序是指在完全并发的情况下指令执行的排列顺序。一些共享内存经常被多个线程访问。在不同线程之间访问相同的共享内存时，需要在读写操作之间保持某种顺序，否则就可能引发一些难以解决的错误。

可以通过以下方式解决内存顺序问题：

- 原子操作：原子操作是一种特殊的操作方式，可以保证特定操作的原子性，即不会在操作的过程中被其他线程中断。

- 线程同步：线程同步是一种协调多个线程执行程序的技术。旨在使一些执行时间相同的线程可以相互协作，并调整运行顺序，以更好地利用计算机的资源。

C++ 内存模型和内存顺序

C++内存模型描述了计算机中的内存如何被线程访问和修改。C++对线程提供了多个同步机制，包括mutex，condition_variable等。而内存顺序就是决定这些同步机制的执行顺序规则。C++中的内存顺序有以下三种：

- 顺序一致性：这是最严格的内存顺序。这种顺序是指程序中所有操作都将按照指令的执行顺序来执行。即所有的操作都必须在所有其他操作完成之前完成，没有重排的可能性。

- 松散一致性：这种内存顺序比顺序一致性更灵活，有些操作可以在其他操作完成之前完成。这种情况只能保证在没有数据依赖关系时。

- 最终一致性：这是最宽松的内存顺序。所有操作都在以后某个时间再执行，且执行结果必须达到某种共识，保证最终内存状态达到一致性。

应用内存顺序

在实际的应用程序中，需要一些特殊的操作来对抗多线程程序的问题。尤其在典型的生产者-消费者模型中，内存顺序非常重要。在这种模型中，一个进程将数据添加到队列中，而另一个进程则从队列中获取数据。这样，就需要保证写操作在所有读操作之前完成。否则，消费者可能会尝试读取队列中不存在的元素。

在C++中，可以通过以下代码块来实现内存顺序：


std::atomic <int> flag (0);
void thread1 ()
{
  std::this_thread::sleep_for (std::chrono::milliseconds (100));
  data = 42;
  std::atomic_store_explicit (&flag, 1, std::memory_order_release);
}
void thread2 ()
{
  int mydata;
  while (!std::atomic_load_explicit (&flag, std::memory_order_acquire));
  mydata = data;
}

在上面的代码块中，存储线程使用memory_order_release内存序列，以保证写操作先于读操作发生。而加载线程使用memory_order_acquire内存序列，则可以保证读操作在所有写操作执行后再发生。

总结

多线程基础是我们在程序开发时需要掌握的重要知识之一。然而，在多线程编程中，要牢记内存顺序问题，并在程序中使用适当的同步机制来确保多个线程之间访问内存的正确顺序，避免程序中可能出现的死锁、未定义行为等诸多问题。因此，在面对多线程内存访问时，程序员需要牢记其特定的内存模型和内存序列，遵循正确的内存顺序规则。

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