C++ 多執行緒程式設計中 memory barriers 的作用是什麼？

在 C++ 多執行緒程式設計中，記憶體屏障的作用是確保執行緒之間資料的一致性。它透過強制執行緒按照預期順序執行來防止資料競爭。 C++ 提供了順序一致性屏障、acquire/release 屏障和 consume/relaxed 屏障等類型的記憶體屏障。透過在程式碼中加入記憶體屏障，可以防止資料競爭，確保執行緒之間的正確資料一致性。

C++ 多執行緒程式設計中記憶體屏障的作用

在C++ 多執行緒程式設計中，記憶體屏障是一段特殊的程式碼序列，旨在確保執行緒之間的資料一致性。當多個執行緒同時存取共享資料時，可能會出現資料競爭的情況，導致資料損壞或程式崩潰。記憶體屏障透過強制執行緒按照預期的順序執行來防止資料競爭。

記憶體屏障的類型

C++ 中提供了多種類型的記憶體屏障：

• 順序一致性屏障( std::memory_order_seq_cst)：確保所有執行緒看到記憶體中的資料都是依照順序一致的。
• acquire/release 屏障 (std::memory_order_acquire/release)：acquire 屏障確保在執行時已載入所有數據，而 release 屏障確保在執行後已儲存所有資料。
• 其他屏障 (std::memory_order_consume/relaxed)：consume 屏障用於禁止優化，relaxed 屏障沒有保證，主要用於調試目的。

實戰案例

考慮以下範例程式碼：

int shared_value = 0;

void thread1() {
  // 从共享变量中读取
  int value = shared_value;
  
  // 使用该值进行计算
  value += 1;

  // 将更新后的值写入共享变量
  shared_value = value;
}

void thread2() {
  // 将新的值写入共享变量
  shared_value = 10;
}

如果執行緒1 和執行緒2 並發執行，則有可能讀寫數據會重疊，導致線程1 看到共享變數在寫入新值之前的舊值。為了防止這種情況，可以在程式碼中添加記憶體屏障。

新增順序一致性屏障後，程式碼將：

void thread1() {
  // 从共享变量中读取
  int value = shared_value;
  
  // 使用该值进行计算
  value += 1;

  // 强制线程按顺序执行
  std::atomic_thread_fence(std::memory_order_seq_cst);

  // 将更新后的值写入共享变量
  shared_value = value;
}

void thread2() {
  // 强制线程按顺序执行
  std::atomic_thread_fence(std::memory_order_seq_cst);

  // 将新的值写入共享变量
  shared_value = 10;
}

順序一致性屏障確保執行緒1 在更新共享變數之前載入共享變數的最新值，並且執行緒2 在寫入共享變量之前等待線程1 完成計算。這樣可以防止資料競爭，確保執行緒之間的正確資料一致性。

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