基本例子

在c++标准库：并发(三) —— 锁 mutex 和 lock 中有提到并发执行时可能使程序挂掉的几种情况。在（三）和（四）中通过锁来解决了同步执行的问题。
可以发现，引起致命问题的三种情况全部是和内存操作相关的，而加锁的代价可能导致频繁的用户态/内核态切换，相对还是比较高。c++提供了原子变量来提供一些原子操作和对内存模型更加精准的控制。
首先来看（三）中关于unique_lock的例子，我们可以用原子变量来替代加锁赋值、判断，得到更高的性能。

std::atomic<bool> readyFlag(false);
void prepareThread(){
    //做某种准备工作，花费5秒钟
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(5));
    readyFlag.store(true);
}

void waitForPrepareThread(){
    {
        //死循环等待readyFlag变为true
        while (!readyFlag.load())
        {
            std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(500));
            std::cout << " wait for prepare... " << std::endl;
        }
    }
    std::cout << " prepare job done, run something! " << std::endl;
};

void TestAtomic(){
    std::thread t1(prepareThread);
    std::thread t2(waitForPrepareThread);
    t1.join();
    t2.join();
}

atomic变量操作会提供原子特性，不会出现data race的情况
store会保证其之前的语句，无论是否atomic，的内存操作都对其它线程可见
load会保证其后的语句，无论是否atomic，的内存操作都对其它内存可见
不想用sleep，选择condition_variable时，还是需要加锁才能保护条件变量的消费

其原因是atomic所有的操作都默认使用 memory_order_seq_cst 顺序一致的内存次序，后面会说到。

一些高级接口

上面是《C++标准库》中列举的高级API，单独说明的有这几个：

is_lock_free：用于判断是否是硬件能力支持的原子操作
compare_exchange_strong cas操作（compare and swap）。理解为原子操作的updateByQuery。
compare_exchange_weak 同上，弱化校验版，compare的步骤中可能出现假失败（即其实一样判断为了不一样），但是性能更好。

低级接口

低层操作允许很多原子操作传入第二个参数，以对内存序进行更加精细化的控制，从而在不需要完全全局同步原子操作的时候，允许编译器以性能更优的方式去操作内存。

低层操作概览

这些操作都支持设置memory_order来实现更精细化的内存序控制。
另外还提供了如 atomic_thread_fence和atomic_signal_fence来手动编写fence，安排内存访问策略，这里不深入研究了。

原子变量6种内存序

低阶API支持设置memory_order，而memory_order支持以下几种：

名称	规则
memory_order_seq_cst	默认的模式，也是最严格顺序同步的模式。所有线程中的该类型原子操作有个全局排序。原子操作前的内存操作不能重排到其后，后面的内存操作不能重排到其前。多线程间，其前的内存操作对其它线程可见。【注意】：这里的原子变量是所有，可以是不同原子变量，下面其它模式都要求是同一个原子变量。
memory_order_relaxed	最宽松的模式，只保证原子变量的原子性，多线程操作时不出现data race，无任何内存操作顺序上的保证。可用于不在乎顺序只在乎原子性的场景，如全局计数。
memory_order_release	release操作前的内存操作保证对其它线程可见。其前的内存操作不能重排到其后，但是其后的内存操作还是可能随便重排。
memory_order_acquire	原子操作后的内存操作不能重排到其前，但是其前的内存操作还是可能随便重排。一般与memory_order_release搭配使用，在多线程之间保证acquire后的数据一定能访问到release之前的数据。
memory_order_consume	是弱化版memory_order_acquire。acquire后的内存操作一定不能重排到其前，但是consume仅仅保证依赖该原子操作的内存操作不重排到其前，而对其它内存操作不做保证。
memory_order_acq_rel	有点像语法糖，被这个标记的原子操作，同时具有release和acquire的特点。

说实话，文字版的描述着实有点抽象，还是我根据自己的理解整理的。所以还是尽量来举个栗子吧。
伪代码：

//全局变量A
std::atomic<int> A(0);

///////线程1
MEM_OP_1;
int a = MEM_OP_2;
A.store(a, memory_order_x);//原子操作依赖MEM_OP_2操作，设置内存序为memory_order_x
MEM_OP_3;
MEM_OP_4;

///////线程2
MEM_OP_1;
MEM_OP_2;
int a = A.load(memory_order_y); //设置内存序为memory_order_y
int b = a + MEM_OP_3; //这一步依赖A的原子操作
MEM_OP_4;

上面例子中，MEM_OP_* 为任意一种内存操作，可能为普通内存操作，也可能为原子变量的内存操作，那么列举几种常见的情况。
（① 表格中memory_order_x代表线程1中对原子变量A操作设置的内存序，memory_order_y代表对线程2中的原子操作设置的内存序； ② xx-前/后，代表线程中原子操作前后的内存操作；③ 注意在单线程中有依赖关系的操作，编译器不会给乱重排。）

memory_order_x	memory_order_y	线程1-前	线程1-后	线程2-前	线程2-后
memory_order_seq_cst（默认）	memory_order_seq_cst（默认）	不能重排到原子后，不能重排到两个相邻原子操作之外	不能重排到原子前，不能重排到两个相邻原子操作之外	不能重排到原子后，不能重排到两个相邻原子操作之外	不能重排到原子前，不能重排到两个相邻原子操作之外
memory_order_release	memory_order_acquire	不能重排到原子后	随意	随意	不能重排到原子前
memory_order_release	memory_order_consume	不能重排到原子后	随意	随意	MEM_OP_3不能重排到原子前，其它随意
memory_order_relaxed	memory_order_relaxed	MEM_OP_2不能重排到原子后，其它随意	随意	随意	MEM_OP_3不能重排到原子前，其它随意

memory_order_acq_rel代表同时拥有acquire和release的特性，这里就不再列举了。

本文链接：https://www.zoucz.com/blog/2021/06/14/c6243960-cd07-11eb-9fe7-534bbf9f369d/

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c++标准库：并发(五) —— 原子变量 std::atomic与内存序

基本例子

一些高级接口

低级接口

低层操作概览

原子变量6种内存序