memory_order_relaxed允许cpu乱序执行和指令重排序

memory_order_relaxed 是 C/C++ 原子操作中最宽松的内存顺序，允许编译器和 CPU 对指令进行重排序（包括编译器优化和硬件层面的乱序执行）。这种重排序的目的是提高性能，但也会导致多线程程序中的行为变得复杂。

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1. 允许的重排序类型

memory_order_relaxed 仅保证操作的原子性（即操作的完整性，不会被部分观察到），但不保证操作的顺序性和可见性。具体来说：

(1) 编译器重排序

编译器可能会根据优化策略，重新排列代码中的指令顺序。例如：

c

atomic<int> x(0), y(0);

// 线程 1
x.store(1, memory_order_relaxed);  // A
y.store(1, memory_order_relaxed);  // B

// 编译器可能将 B 重排到 A 之前执行！

(2) CPU 硬件重排序

现代 CPU 会通过乱序执行（Out-of-Order Execution）优化性能。例如：

• Store-Store 重排序：两个写入操作可能被重排。
• Load-Load 重排序：两个读取操作可能被重排。
• Load-Store 重排序：读取和写入操作可能被重排。

对于 memory_order_relaxed，这些重排序均可能发生。

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2. 重排序的影响

示例 1：多线程可见性问题

c

atomic<int> x(0), y(0);

// 线程 1
x.store(1, memory_order_relaxed);  // 操作 A
y.store(1, memory_order_relaxed);  // 操作 B

// 线程 2
while (y.load(memory_order_relaxed) != 1) {}  // 操作 C
assert(x.load(memory_order_relaxed) == 1);    // 操作 D：可能失败！

• 由于允许 Store-Store 重排序，线程 1 可能先执行 B 再执行 A。
• 如果线程 2 观察到 y == 1 但 x == 0，断言将失败。

示例 2：无依赖关系的操作

c

atomic<int> a(0), b(0);

// 线程 1
a.store(1, memory_order_relaxed);  // 操作 1
b.store(2, memory_order_relaxed);  // 操作 2

// 其他线程可能观察到操作 2 先于操作 1！

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3. 什么情况下不会被重排序？

即使使用 memory_order_relaxed，以下规则仍成立：

1. 单线程依赖顺序：同一线程内，如果操作 B 依赖于操作 A 的结果，编译器/CPU 不会重排 A 和 B。

   c

   int tmp = a.load(memory_order_relaxed);  // A
   b.store(tmp, memory_order_relaxed);      // B：依赖 A 的结果，不会被重排

2. 同一原子变量的修改顺序：对同一原子变量的修改，所有线程会观察到一致的修改顺序。

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4. 何时使用 memory_order_relaxed？

适用场景：

• 不需要同步的原子操作（例如统计计数器）。
• 操作顺序无关紧要（例如多个独立的标志位）。
• 需要结合其他内存顺序（如 acquire-release）手动构建同步逻辑。

示例：无锁计数器

c

atomic<int> counter(0);

// 多个线程并发累加
void increment() {
    counter.fetch_add(1, memory_order_relaxed);
}

• 计数器的累加无需同步其他内存操作，使用 relaxed 可以提升性能。

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5. 总结

特性	memory_order_relaxed
原子性	✔️ 保证原子操作（不会被部分观察到）
顺序性	❌ 允许编译器/CPU 重排序
可见性	❌ 不保证其他线程立即看到操作结果
适用场景	不需要同步的独立原子操作（如计数器、标志位）
性能	最高（无同步开销）

注意事项

• 在需要跨线程同步（如传递数据）时，必须使用更强的内存顺序（如 acquire-release 或 seq_cst）。
• 滥用 relaxed 可能导致极难调试的内存一致性问题。