Чем для атомарной RMW-операции отличается порядок memory_order_acq_rel от memory_order_seq_cst?
memory_order_acq_rel даёт атомарной RMW-операции семантики acquire и release, но не помещает её в единый глобальный порядок последовательной согласованности. memory_order_seq_cst предоставляет те же acquire/release-гарантии для RMW и дополнительно требует единого порядка всех последовательно согласованных атомарных операций, совместимого с их отношениями видимости.
Поэтому acq_rel обычно достаточно для локальной передачи владения или публикации данных, а seq_cst нужен, когда корректность алгоритма опирается на глобальную согласованность наблюдения нескольких атомиков.
Модель памяти C++ была введена, чтобы формально описать взаимодействие потоков на многоядерных системах и разрешить компилятору и процессору переставлять операции там, где это не нарушает выбранные гарантии. Единый наиболее строгий порядок оказался простым для рассуждений, но потенциально более дорогим, чем специализированные режимы.
Поэтому стандарт предоставляет несколько порядков памяти. Они позволяют отделить необходимую синхронизацию от требования глобального порядка всех атомарных операций.
Предположим, алгоритм использует атомарную RMW-операцию для изменения состояния и одновременно публикует обычные данные. Нужно понять, достаточно ли acquire/release-свойств этой операции или алгоритм требует, чтобы разные потоки видели все seq_cst-операции в одном порядке.
Ошибка в выборе порядка может иметь два противоположных последствия. Слишком слабый порядок нарушит доказательство корректности, а без необходимости выбранный seq_cst ограничит оптимизации и усложнит масштабирование на слабых архитектурах.
RMW-операция, например атомарное сравнение с обменом или атомарное сложение, одновременно читает и изменяет значение. При memory_order_acq_rel её release-часть не позволяет предшествующим обычным операциям быть опубликованными после этой RMW, а acquire-часть не позволяет последующим операциям выполняться до получения её эффекта. Если RMW читает значение, записанное release-операцией, acquire-семантика может обеспечить соответствующую видимость опубликованных данных.
Однако acq_rel не создаёт общего единого порядка между независимыми атомарными объектами. У каждого атомарного объекта есть собственный порядок модификаций, но наблюдение операций над разными объектами не обязано соответствовать одной глобальной последовательности.
memory_order_seq_cst для RMW включает acquire/release-свойства и добавляет требование: все seq_cst-операции должны быть согласованы с одним общим порядком. Этот порядок также должен быть совместим с отношениями happens-before и порядком модификаций каждого атомарного объекта.
Из этого не следует, что seq_cst делает обычные неатомарные обращения безопасными сам по себе. Для них всё равно требуется отсутствие гонки данных, обеспеченное синхронизацией, мьютексом, атомиками или другим механизмом.
Практическое правило: сначала доказывают, какие связи happens-before нужны алгоритму, затем выбирают минимальный порядок памяти. Если требуется только передача данных через конкретный атомик или корректный CAS-цикл, часто достаточно acq_rel. Если требуется рассуждать о едином глобальном порядке наблюдения нескольких атомиков, применяют seq_cst либо перестраивают алгоритм.
В lock-free автомате состояния несколько потоков пытаются перевести объект из состояния готовности в состояние обработки с помощью CAS. Перед публикацией состояния один поток заполняет обычные поля объекта, а успешный CAS выполняется с release-составляющей; поток, успешно наблюдающий это состояние через acquire-составляющую, получает видимость полей.
Вариант с seq_cst проще объяснять, но он не нужен, если алгоритм не использует глобальный порядок операций над другими атомиками. Вариант с relaxed недостаточен: он не обеспечивает требуемую публикацию обычных полей.
Выбранный вариант — acq_rel для успешной RMW и подходящий acquire-порядок для чтения состояния. Это сохраняет нужную передачу данных и не вводит более сильное глобальное ограничение, чем требуется алгоритму. Если же доказательство использует порядок событий между несколькими независимыми атомиками, нужно либо перейти к seq_cst, либо явно добавить другую схему синхронизации.
Дополнительный вопрос 1. Может ли успешная RMW с memory_order_acq_rel синхронизироваться с release-операцией другого потока только потому, что обе операции работают с одним атомиком?
Нет. Общий атомарный объект обеспечивает согласованный порядок его модификаций, но отношение synchronizes-with возникает не автоматически между любыми двумя операциями. Acquire-часть должна прочитать значение, записанное соответствующей release-операцией или её release-последовательностью. Если acquire-RMW прочитала более позднее значение, входящее в такую последовательность, видимость может быть передана через неё.
Дополнительный вопрос 2. Делает ли memory_order_seq_cst результаты чтения двух атомиков всегда согласованным снимком?
Нет. Единый порядок seq_cst не превращает несколько отдельных атомиков в одну транзакцию. Между чтениями может произойти изменение одного из объектов, поэтому согласованный многословный снимок требует отдельного протокола: блокировки, версии, последовательности или другого алгоритма согласования.
Дополнительный вопрос 3. Можно ли применить memory_order_acq_rel к обычной атомарной загрузке?
Нет. Загрузка не изменяет атомарный объект, поэтому release-составляющая для неё не имеет смысла. Для загрузки допустимы, в частности, relaxed, acquire и seq_cst; порядок acq_rel предназначен для операций, которые одновременно читают и изменяют значение, таких как RMW.