volatile 和 mutex 是否确保 C++ 中的内存排序？

Question

假设我有两个变量：

volatile int a = 0;
int b = 0;

它们在两个线程之间共享。现在在第一个线程中，我按下一个顺序修改这些变量：

a = 1;
b = 2;

在第二个线程中我这样做：

while (true) {
    if (b == 2)
        assert(a == 1);
}

是否可以保证第二个线程永远不会失败？这意味着第二个线程读出 a 和 b 的写入值的顺序与第一个线程写入的顺序相同？

如您所见，我将 a 设为易失性，将 b 设为非易失性。所以我的问题是 volatile 修饰符是否对内存写入顺序有任何保证？如果我让 b 也 volatile 会改善情况吗？

或者保证顺序的唯一方法是对 a 和 b 使用 std::atomic<int>？

std::mutex呢？如果我通过两个线程上的单个共享互斥锁保护两个变量并使用非易失性变量，它是否有助于内存排序？ IE。如果我接下来做（a 和 b 都是非易失性的）：

int a = 0, b = 0; // shared
std::mutex m; // shared
// .... In Thread 1 ....
{
    std::unique_lock<std::mutex> l(m);
    a = 1; b = 2;
}
// .... In Thread 2 ....
while (true) {
    std::unique_lock<std::mutex> l(m);
    assert(a == 0 && b == 0 || a == 1 && b == 2);
}

上述对非易失性 a 和 b 变量使用互斥锁的解决方案是否保证断言永远不会失败，这意味着 a 和 b 都为 0或同时设置为更正值 1 和 2？有时会发生释放互斥量后 a 和 b 不能为其他线程和 CPU 内核的 1 和 2 吗？例如 a 写入 a 被延迟然后其他核心看到 a 等于 0 和 b 等于 2，这种情况会发生吗？

即互斥量是否保证内核之间的内存顺序和缓存传播？也许 acquiring/releasing 互斥锁刷新缓存或使用其他一些内存排序强制技术？

或者我必须对所有共享变量使用 std::atomic？

Answer 1

Is there a guarantee that second thread never fails? Meaning that second thread reads-out written values of a and b in same order that they were written by first thread?

不，事实上根本没有任何保证。从一个线程不同步地写入（非原子）变量并从另一个线程读取它们调用未定义的行为，这意味着就编译器而言，任何东西 可能会发生，因为程序被破坏了。

So my question is if volatile modifier makes any guarantee on order of memory writes?

处理多线程时需要注意两种重新排序：

编译器优化器在编译时重新排序指令。（例如，它可能会将您的代码更改为 b = 2; a = 1;，作为提高程序效率的一部分，因为它在“假设”规则下是允许这样做的）
由 CPU 的指令解码器（也是出于性能原因）在运行时对生成的操作码进行即时重新排序。

volatile 关键字可以帮助您处理类型 (1)，但它不能（或至少不会）对类型 (2) 做任何事情，因此它最终不足以用于使多线程程序正常工作。 volatile 也根本无法帮助您解决缓存一致性问题。对于多线程，您需要比 volatile 所能提供的更强大的魔力（这是有道理的，因为 volatile 从未打算成为多线程构造——它旨在用于更简单的用例，例如读取内存——映射设备寄存器）

Or the only way to guarantee order is to use std::atomic for both a and b? What about std::mutex?

这两种方法中的任何一种都应该足以获得您正在寻找的写顺序保证。不过，只有互斥锁可以提供更一般的一致性保证（见下文）。

does mutex guarantee memory order and caches propagation between cores?

是——只要每个线程在读取或写入共享变量之前锁定互斥锁（然后解锁互斥锁），那么每个线程都会看到共享变量处于 coherent/consistent 状态。内存顺序和缓存更新传播问题都将由互斥实现为您处理（假设互斥实现没有错误，这是当今可靠的假设）

Or I have to use std::atomic for all shared variables?

std::atomic 可以工作，尽管它只保证内存写入顺序；如果您还需要非平凡的一致性保证，它就帮不了您了。例如，如果线程 A 需要设置两个或更多变量，并且您需要保证线程 B 要么“看到”所有这些设置，要么看到其中的 none 个设置（并且永远不会看到一个中间状态，其中只有其中一些已设置），那么您将需要改用互斥锁。

volatile 和 mutex 是否确保 C++ 中的内存排序？

Do volatile and mutex ensure memory ordering in C++?

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