為什麼 `std::atomic` 的儲存使用 XCHG 來實現 x86 上的順序一致性？

為什麼std::atomic 的儲存採用XCHG 來實現順序一致性

在x86 和x86_64 架構的std::atomic 上下文中std::atomic ，具有順序一致性的儲存操作(std::memory_order_seq_cst) 使用XCHG而不是使用內存屏障作為實現順序釋放語義的技術的簡單存儲。

順序一致性和xchg

順序一致性規定所有記憶體操作似乎都以某種方式執行連續順序，並且該順序對於所有執行緒都是相同的。 XCHG 是一種以原子方式交換兩個操作數的值的 x86 指令，本質上滿足了這種順序一致性要求。透過使用 XCHG 執行寫入操作，std::atomic 確保儲存在執行順序的特定點對所有執行緒全域可見，從而防止後續操作重新排序。

mov- store mfence 與XCHG

雖然簡單的mov-store 後跟內存柵欄（例如mfence）理論上可以提供釋放從語義上來說，它對於順序釋放儲存操作來說是不夠的。 MFENCE 是建立記憶體屏障的記憶體柵欄指令，可確保先前的寫入作業在繼續之前提交到記憶體。但是，它不會阻止後續載入操作在發布儲存體之前重新排序。

效能注意事項

順序發布的 mov-store mfence 和 XCHG 之間的選擇儲存作業涉及效能權衡。

• 在某些 CPU 上（例如 Intel Skylake），XCHG 比 mov-store mfence 更有效率，特別是當周圍沒有需要與原子操作同步的依賴程式碼時。
• 在其他 CPU 上，mov-store mfence 可能更適合高-吞吐量場景或周圍程式碼可以與原子操作重疊執行時。

實作詳細資訊

在實務中，std::atomic 具有順序一致性的儲存的具體實作因編譯器和硬體架構而異。

• GCC/Clang： 最初使用mov-store mfence 但最近改用XCHG 進行seq-cst
• Intel 編譯器：將XCHG 用於seq-cst 儲存。
• Microsoft Visual C : 也將 XCHG 用於 seq-cst 儲存。

隱式取得柵欄

x86 儲存具有隱含取得柵欄的說法是不正確的。 x86 上的儲存具有釋放語義，而不是獲取語義。獲取語義通常使用記憶體屏障（例如 mfence）或帶有 std::memory_order_acquire 語義的原子讀取操作來強制執行。

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