volatile、内存屏障、Acquire&Release语义 三者的差别和关系(一) —— 之volatile

最新推荐文章于 2025-07-08 23:32:44 发布
最新推荐文章于 2025-07-08 23:32:44 发布
阅读量3.9k 收藏 6
点赞数 2
CC 4.0 BY-SA版权
分类专栏： C++ 文章标签： C++ 并行编程 多线程
版权声明：本文为博主原创文章，遵循 CC 4.0 BY-SA 版权协议，转载请附上原文出处链接和本声明。
本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/answer3y/article/details/21476787
本文详细探讨了C++中volatile关键字的作用，指出其并不能实现原子操作或线程同步。volatile主要保证了三点：防止编译器优化、强制每次访问内存和保持指令顺序。通过实例代码和汇编分析，展示了volatile如何影响编译器优化，以及在多线程环境中的行为。同时，文章提及了内存屏障和Acquire&Release语义在多线程编程中的重要性。

摘要生成于 C知道 ，由 DeepSeek-R1 满血版支持， 前往体验 >

前言:
对于这个题目, 本来想写成一篇博客, 但是写下来发现篇幅有点长, 于是拆分成三篇.
volatile 内存屏障 Acquire&Release语义 这三个概念恐怕是做并行编程的时候, 或者说是做C++多线程编程的过程中很容易搞不明白的概念, 下面依据我的知识范围和认识深度, 做一个不算详细但很认真的解释吧, 最后面再再用LevelDb的原子指针类AtomicPointer举个例子. 如果有不对的地方, 希望得到您的指正.

这是三篇博客的第一篇, 首先讲的是volatile这个关键字.
关于volatile可能很多人的感觉是, 见过, 但是不了解. 有人认为volatile可以用来实现原子操作, 实现线程同步, 首先这是错误的.
在http://en.cppreference.com/上面是这么解释的:
volatile object - an object whose type is volatile-qualified, or a subobject of a volatile object, or a mutable subobject of a const-volatile object. Every access (read or write operation, member function call, etc.) on the volatile object is treated as a visible side-effect for the purposes of optimization (that is, within a single thread of execution, volatile accesses cannot be reordered or optimized out. This makes volatile objects suitable for communication with a signal handler, but not with another thread of execution, see std::memory_order)
总结下来可以认为, 在C++中, volatile实现了3个点保证：
( 1 ) 被volatile修饰了的变量的操作不会被编译器优化掉(去除)
( 2 ) 被volatile修饰的变量, 会强制编译器去每次方位这个变量都直接去访问内存对应存储位置(而不是读寄存器或者cpu cache)
( 3 )多个被volatile修饰的变量之间的顺
最低0.47元/天 解锁文章

200万优质内容无限畅学
volatile，指令重排和内存屏障
dw147258dw的专栏
01-09 938
volatile我们已经再熟悉不过了，他保证了属性的可见性并且禁止指令重排 对于可见性：也就是一个线程改了值，另外一个线程可以立马看到结果，也就是但操作是原子的 对于指令重排，有两种：一种是编译重排，一种是CPU重排（运行期重排），编译重排这里的编译不是变成橙字节码，而是JVM解释成字节码的时候的重排， 那么这两种重排都会有一些保证：编译器重排有一些happenbefore规则，在不违反这些原则的基础上进行重排，而有一些指令他是在编译期间就能知道顺序的，比如说new Object()操作包含以下几步：
并发编程的基础：深入理解内存屏障（Memory Barriers）
2401_86353562的博客
11-06 1339
内存屏障是一种基础语言，在不同的计算机架构下有不同的实现细节。本文主要在x86_64处理器下，通过Linux及其内核代码来分析和使用内存屏障对大多数应用层开发者来说，“内存屏障”（memory Barrier）是一种陌生，甚至有些诡异的技术。实际上，他机制常被用在操作系统内核中，用于实现同步、驱动程序利用它，能够实现高效的无锁数据结构，提高多线程程序的性能表现。本文首先探讨了内存屏障的必要性，之后介绍如何利用内存屏障实现一个无锁唤醒振荡器（队列），用于在多个线程间进行高效的数据交换。
volatile、内存屏障、Acquire&Release语义 三者的差别和关系(二) —— 之内存屏障
菠萝生炒骨炝炒土豆丝
03-26 3095
这篇博客是系列文章的第二篇, 主要讲一下内存屏障, 不会讲的很深, 但求明确理解和记住, 什么是内存屏障! 1. 背景知识: CPU乱序执行 这个背景知识很重要, 先讲为快, 在wiki百科上面, 关于CPU乱序执行的解释是这样的: In computer engineering, out-of-order execution (OoOE or OOE) is a paradigm
正确使用 volatile 的模式
tamink2013的博客
02-16 164
很多并发性专家事实上往往引导用户远离 volatile 变量，因为使用它们要比使用锁更加容易出错。然而，如果谨慎地遵循一些良好定义的模式，就能够在很多场合内安全地使用 volatile 变量。要始终牢记使用 volatile 的限制 —— 只有在状态真正独立于程序内其他内容时才能使用 volatile —— 这条规则能够避免将这些模式扩展到不安全的用例。 模式 #1：状态标志也许实现 vola...
面试官问我“AQS 的重点方法”，我用 acquire 和 release 把他拿捏了
最新发布
真正的大师永远怀着一颗学徒的心
07-08 266
方法用途获取资源失败则排队实际的抢锁逻辑，子类实现释放资源，唤醒其他线程实际的释放逻辑构造节点入队自旋等待获取锁关注「小奇 Java 面试」，不止拿捏同步器，还能同步你对并发的误解。
volatile与内存屏障
lzf的博客
08-18 2710
Intel Processor x86 has astrong memory model. Therefore all barrier StoreStore , LoadLoad, LoadStore are no-op on x86.Except StoreLoad which can be realized viamfence or cpuid orlocked insn. W...
volatile 和 内存屏障
yygr的博客
03-06 3360
volatile 和 内存屏障 - 哈哈呵h - 博客园接下来看看volatile是如何解决上面两个问题的： 被volatile修饰的变量在编译成字节码文件时会多个lock指令，该指令在执行过程中会生成相应的内存屏障，以此来解决可见性跟重排序的问题。 内存屏障的作用： 1.在有内存屏障的地方，会禁止指令重排序，即屏障下面的代码不能跟屏障上面的代码交换执行顺序。 2.在有内存屏障的地方，线程修改完共享变量以后会马上把该变量从本地内存写回到主内存，并且让其他线程本地内存中该变量副本失效（使用MESI协议） 那么
JMM与volatile
qq_44300280的博客
10-23 1112
1.被volatile修饰的变量有2大特点 2.volatile的内存语义 3.内存屏障(面试重点必须拿下) 4. volatile特性 5.volatile的使用场景 6.面试总结
《彻底搞懂volatile关键字：可见性、有序性、内存屏障全解析》
龚小帅的博客
05-26 1783
volatile是Java中的一个关键字，用来修饰变量。它的主要作用是告诉JVM：“这个变量可能会被多个线程同时访问和修改，你要特别注意它的读写操作！” 🚨举个生活中的例子🌰：想象你在教室里和同学们一起玩传话游戏。老师把一句话告诉第一个同学，然后依次传下去。如果中间有同学记错了，最后的结果就会出错。volatile就像是老师用大喇叭📢对全班同学同时宣布消息，确保所有人都能直接听到原始信息，而不是通过中间人传递。今天我们深入探讨了Java中的volatile是什么。
C#异步编程的内存模型：volatile和内存屏障的作用解析
本文全面探讨了C#异步编程中的内存管理机制，包括volatile关键字的定义、作用及其在多线程环境中的应用，以及内存屏障的概念和实现。文章分析了异步编程中的内存模型挑战，并探讨了volatile和内存屏障的联合使用对于...
内存屏障在CPU、JVM、JDK中的实现
m0_69379068的博客
04-10 517
首先是现代编译器的代码优化和编译器指令重排可能会影响到代码的执行顺序。 其次还有指令执行级别的乱序优化，流水线、乱序执行、分支预测都可能导致处理器次序（Process Ordering，机器指令在CPU实际执行时的顺序）和程序次序（Program Ordering，程序代码的逻辑执行顺序）不一致。可惜不影响语义依旧只能是保证单核指令序列间，单核时代CPU的Self-Consistent特性在多核时代已不存在（Self-Consistent即重排原则：有数据依赖不会进行重排，单核最终结果肯定一致）。 除此还有
关于信号量Semaphore的acquire与release的说明
wit_cx的博客
11-10 1983
Semaphore 是 synchronized 的加强版，作用是控制线程的并发数量。 关于信号量Semaphore的acquire与release的说明 1、Semaphore信号量作为一种流控手段，可以对特定资源的允许同时访问的操作数量进行控制，例如池化技术(连接池)中的并发数，有界阻塞容器的容量等。 2、Semaphore中包含初始化时固定个数的许可，在进行操作的时候，需要先acquire获取到许可，才可以继续执行任务，如果获取失败，则进入阻塞；处理完成之后需要release释放许可。 .
【全面讲解】CPU缓存一致性：从理论到实战(上)
youzhangjing_的博客
08-30 428
大多数处理器还支持更细粒度的屏障指令。严格按照MESI协议，核心0 在修改本地缓存之前，需要向其他核心发送 Invalid 消息，其他核心收到消息后，使他们本地对应的缓存行失效，并返回 Invalid acknowledgement 消息，核心0 收到后修改缓存行。的，当一个线程对缓存行中数据执行写操作时，必须通知其他线程该缓存行失效，导致另一个线程从缓存中读取其想修改的数据失败，必须从内存重新加载，导致性能下降。当访问某个路对应的缓存行时，先将该路对应的所有行置为 1，然后再将该路对应的所有列置为 0。
二.synchronized关键字
u011676402的博客
01-20 220
synchronized的作用，synchronized可以保证并发安全问题，比如i++操作，实际是两步，先读取i的值，再把i+1，这样的话多个线程并发执行i++的时候就可能出现并发问题了，这里使用synchronized就能解决并发安全问题，synchronized需要一个锁对象，可以是一个对象实例，也可以是一个Class，直接加在方法上就是当前实例对象 也就是this，多个线程同时执行sync...
内存屏障(memory fence)是什么? 它有什么用?
haozizang的博客
05-21 1422
通过插入适当的内存屏障指令，可以控制不同线程之间的操作顺序，避免出现数据竞争和并发错误，从而提供正确的多线程同步和通信。全能屏障是一种全局的同步操作，它确保在屏障之前的所有内存操作都完成后，才能执行屏障之后的内存操作。内存屏障分为两种类型：全能屏障（full barrier）和部分屏障（acquire/release barrier）。获取屏障用于保证在屏障之前的所有读操作完成后，才能执行屏障之后的读操作。释放屏障用于保证在屏障之前的所有写操作完成后，才能执行屏障之后的写操作。
【面试突击】硬件级别可见性问题面试实战（下：synchronized和volatile底层对原子性、可见性、有序性的保证）
qq_45260619的博客
01-20 1043
欢迎关注公众号（通过文章导读关注：【11来了】），及时收到 AI 前沿项目工具及新技术的推送！ 在我后台回复 「资料」 可领取编程高频电子书！ 在我后台回复「面试」可领取硬核面试笔记！ 文章导读地址：点击查看文章导读！ 感谢你的关注！
atomic
angelazhao620的博客
08-17 187
表示该原子操作必须顺序一致的，这是C++11中所有atomic原子操作的默认值。这样来理解“顺序一致”：即代码在线程中运行的顺序与程序员看到的代码顺序一致。也就是说，用此值提示编译器“
C++ `release-acquire` 与 `release sequence` 深入解析
FHKHH的博客
03-07 536
操作后，若对同一原子变量存在一系列特定操作（属于。：确保跨线程内存操作的可见性和顺序性。存储的值，则线程B能观察到线程A在。后的操作不满足以下任一条件，之前的所有内存操作。
深入理解acquire和release原理源码及lock独有特性acquireInterruptibly和tryAcquireNanos
热门推荐
sophia__yu的博客
11-21 1万+
我们在调用Lock的lock上锁时，其实调用的是AQS的模板方法acquire();在调用lock的unlock时其实调用的是release方法。 public void unlock() { sync.release(1); } ...
内存屏障 和 隐式循环
04-28
<think>嗯，用户现在想深入理解raw_spin_lock_irq的实现，以及内存屏障和隐式循环在信号量操作中的作用。特别是关于内存屏障如何保护sem->count数据，还有代码中的隐式循环逻辑。我需要结合之前的回答和用户提供的引用资料来详细解答。 首先，用户提到了之前的回答中关于Acquire屏障和内存屏障的部分，现在需要更具体地分析raw_spin_lock_irq的实现。根据引用[1]，结构体的自旋锁初始化是通过spin_lock_init进行的，这可能与raw_spin_lock_irq的初始化有关，但用户更关注的是其实现中的内存屏障。 在之前的回答中，我提到了x86架构下raw_spin_lock_irq使用原子操作和内存屏障来确保顺序执行。现在需要更详细地展开，比如原子指令（如LOCK前缀）如何保证操作的原子性，以及编译器屏障（如"memory"约束）如何防止指令重排。引用[2]提到释放写自旋锁时使用汇编指令，这可能与内存屏障的实现有关，比如在解锁时使用Release屏障。 用户还提到了信号量操作中的隐式循环。在之前的代码中，__down_common函数里有一个无限循环，通过schedule_timeout让出CPU，直到被唤醒或超时。需要解释这个循环如何工作，以及它如何与内存屏障协同，确保进程在等待时正确检查sem->count的值。 此外，用户提供的引用[4]中有spin_lock_irq的使用，这可能与信号量中的锁机制类似，需要指出这些代码示例中的共同点，比如通过加锁来保护共享数据，而内存屏障在此过程中的作用。 需要确保回答结构清晰，分点说明内存屏障的实现机制、对sem->count的保护，以及隐式循环的逻辑。同时，结合用户提供的引用资料，引用相关部分来支持解释，比如引用[1]中的自旋锁初始化，引用[2]中的释放锁操作，引用[3]中的RCU机制可能涉及的内存屏障使用等。 最后，用户的问题还涉及到隐式循环的分析，需要详细解释__down_common中的for循环，包括信号处理和超时处理，以及循环中如何重新获取锁并检查条件，确保内存屏障在此过程中的必要性，防止数据竞争。 总之，需要综合之前的回答和现有引用，详细拆解raw_spin_lock_irq的实现细节，内存屏障的作用机制，以及隐式循环在信号量操作中的具体实现和逻辑。</think>### 分步解析：`raw_spin_lock_irq`的内存屏障机制与信号量隐式循环逻辑 --- #### 一、`raw_spin_lock_irq`的内存屏障实现 ##### 1. **硬件级原子操作与内存屏障** 在x86架构中，`raw_spin_lock_irq`的核心实现通过原子指令和内存屏障确保临界区访问的原子性与顺序性。以下是关键步骤： ```c #define raw_spin_lock_irq(lock) \ do { \ local_irq_disable(); \ // 关本地中断 preempt_disable(); \ // 关闭抢占 arch_spin_lock(&(lock)->raw_lock); \ // 架构相关的自旋锁获取 __acquire(lock); \ // 插入Acquire语义内存屏障 } while (0) ``` - **原子指令**：`arch_spin_lock`底层通过`LOCK`前缀的汇编指令（如`xchg`或`cmpxchg`）实现锁状态的原子修改。例如： ```asm LOCK_PREFIX decl %0 // 原子减锁计数器 jns 1f // 若成功获取锁则跳转 ``` - **内存屏障**：`__acquire(lock)`宏通过`barrier()`或编译器指令（如`asm volatile("" ::: "memory")`）插入**Acquire屏障**，确保临界区内的内存访问（如`sem->count`）不会被重排到锁获取之前[^1][^2]。 ##### 2. **Acquire屏障对`sem->count`的保护** - **临界区访问顺序**：Acquire屏障强制以下顺序： ``` [锁获取] → [屏障] → [读取sem->count] ``` 保证锁获取后，任何对`sem->count`的读取都能看到前一个持有锁的线程对它的修改（如`sem->count--`）[^2]。 - **示例场景**： - 线程A释放锁时通过**Release屏障**（在`raw_spin_unlock_irq`中）确保`sem->count`的修改在锁释放前完成。 - 线程B获取锁时通过Acquire屏障，确保其看到的`sem->count`是线程A修改后的最新值[^4]。 --- #### 二、信号量操作中的隐式循环逻辑 ##### 1. **`__down_common`的循环结构** 在信号量等待逻辑中，`__down_common`函数通过无限循环实现阻塞与唤醒： ```c for (;;) { if (signal_pending_state(state, task)) // 检查信号中断 goto interrupted; if (unlikely(timeout <= 0)) // 检查超时 goto timed_out; __set_task_state(task, state); // 设置进程状态为可中断/不可中断 raw_spin_unlock_irq(&sem->lock); // 释放锁，允许其他线程操作信号量 timeout = schedule_timeout(timeout); // 主动让出CPU，进入睡眠 raw_spin_lock_irq(&sem->lock); // 被唤醒后重新获取锁 if (waiter.up) // 检查是否被`up()`操作唤醒 return 0; } ``` ##### 2. **循环与内存屏障的协同** - **锁释放与重新获取**：循环中`raw_spin_unlock_irq`和`raw_spin_lock_irq`的配对操作，通过内存屏障确保： - **释放锁时**：插入Release屏障，保证`sem->count`的修改在解锁前对其他线程可见。 - **重新获取锁时**：插入Acquire屏障，保证唤醒后读取的`sem->count`是最新值[^1][^4]。 - **唤醒条件检查**：`waiter.up`标志由`up()`操作设置，该操作在修改`sem->count`后通过内存屏障确保标志的可见性。 ##### 3. **中断与超时处理** - **信号中断**：`signal_pending_state`检查进程是否有挂起信号（如`SIGKILL`），若存在则退出循环并返回`-EINTR`。 - **超时机制**：`schedule_timeout(timeout)`允许设置等待时间，超时后返回`-ETIME`，避免无限阻塞。 --- #### 三、关键代码路径的验证 ##### 1. **`down_interruptible`的锁保护** ```c if (likely(sem->count > 0)) sem->count--; // 直接减少计数（成功获取信号量） else result = __down_interruptible(sem); // 进入等待循环 ``` - **临界区保护**：`raw_spin_lock_irq`确保`sem->count`的读写在锁的保护下，避免竞态条件。 ##### 2. **`__down_common`的内存屏障必要性** - **编译器优化防御**：`"memory"`约束防止编译器将`sem->count`的访问重排到锁区域之外。 - **多核一致性**：硬件屏障（如x86的`LOCK`前缀）确保多核间的缓存一致性，使`sem->count`的修改对所有CPU核心可见。 --- ### 总结 1. **内存屏障作用**： - Acquire/Release屏障强制锁获取/释放与共享数据（如`sem->count`）访问的顺序性，防止指令重排与缓存不一致。 2. **隐式循环逻辑**： - 通过`schedule_timeout`让出CPU，结合锁释放与重新获取，实现高效阻塞等待。 3. **中断与超时**： - 确保信号量操作可响应外部中断与超时退出，增强鲁棒性。 --- ### 相关问题 1. **自旋锁与信号量在内存屏障使用上有何本质区别？** 2. **在ARM架构中，`raw_spin_lock_irq`的内存屏障实现是否依赖特定指令（如`dmb`）？** 3. **信号量的`schedule_timeout`与完全自旋等待（如`spin_lock`）在性能上有何优劣？** [^1]: 自旋锁初始化与内存屏障实现 [^2]: 原子操作与锁释放的汇编指令 [^4]: 内存屏障在进程同步中的具体应用
评论
添加红包

请填写红包祝福语或标题

个

红包个数最小为10个

元

红包金额最低5元

当前余额3.43元 前往充值 >
需支付：10.00元
成就一亿技术人!
领取后你会自动成为博主和红包主的粉丝 规则
hope_wisdom
发出的红包
实付元
使用余额支付
点击重新获取
扫码支付
钱包余额 0

抵扣说明：

1.余额是钱包充值的虚拟货币，按照1:1的比例进行支付金额的抵扣。
2.余额无法直接购买下载，可以购买VIP、付费专栏及课程。

余额充值