CAS操作中内存屏障的使用

Question

在CPP引用的代码片段中，成功和失败分别使用了内存屏障std::memory_order_release和std::memory_order_relaxed。什么时候可以同时使用std::memory_order_release，或者对两者都使用std::memory_order_relaxed？

template<class T>
struct node
{
    T data;
    node* next;
    node(const T& data) : data(data), next(nullptr) {}
};
 
template<class T>
class stack
{
    std::atomic<node<T>*> head;
 public:
    void push(const T& data)
    {
        node<T>* new_node = new node<T>(data);
 
        // put the current value of head into new_node->next
        new_node->next = head.load(std::memory_order_relaxed);
 
        // now make new_node the new head, but if the head
        // is no longer what's stored in new_node->next
        // (some other thread must have inserted a node just now)
        // then put that new head into new_node->next and try again
        while(!std::atomic_compare_exchange_weak_explicit(
                                &head,
                                &new_node->next,
                                new_node,
                                std::memory_order_release,
                                std::memory_order_relaxed))
                ; // the body of the loop is empty
// note: the above loop is not thread-safe in at least
// GCC prior to 4.8.3 (bug 60272), clang prior to 2014-05-05 (bug 18899)
// MSVC prior to 2014-03-17 (bug 819819). See member function version for workaround
    }
};

Answer 1

同时使用relaxed是不安全的。如果compare_exchange成功，则head将被更新为new_node值，其他读取head的线程将得到该指针。但是，如果没有发布顺序，写入new_node->next (现在的head->next)的值可能还不能全局可见，因此如果其他线程试图读取head->next，它可能会看到垃圾，或者以其他方式出现错误行为。

形式上，对new_node->next的写入需要在任何其他线程尝试读取它之前进行，这只能通过在存储区上进行发布命令来确保，该存储指示其他线程该值已就绪。(同样，读取head的线程需要使用获取排序。)通过对成功存储进行轻松的排序，在关系不存在之前就发生了，因此代码有一个数据竞争，其行为是未定义的。

对这两种情况都使用release是没有意义的，因为发布命令只对存储有意义，而在失败的情况下，不执行存储。事实上，由于这个原因，为故障排序传递std::memory_order_release实际上是非法的；这是在获取示例代码的页面上说明的。使用acquire或seq_cst是安全的(更强的排序总是安全的)，但是没有必要，可能会造成不必要的性能损失。