C++17 标准库： std::memory_order_consume函数

引入

多线程编程中，原子操作的内存序(memory order)非常重要，它决定了对各线程间可见性的保证。C++11及以后版本引入了多种内存序参数，如 memory_order_relaxed, memory_order_acquire，memory_order_release 等。相对较少为人熟知且使用较少的 std::memory_order_consume 也在标准中定义，它语义上提供了对数据依赖的保证，理论上优于 memory_order_acquire 的性能，但是由于实现复杂，目前大多数编译器将其视同为 memory_order_acquire。

本文将系统介绍 std::memory_order_consume 的语义、用法，通过示例深入理解其行为，分析适用场景及局限。

1. 特性与语法介绍

std::memory_order_consume 通过强调“数据依赖性”，允许编译器以及CPU在满足数据依赖的基础上放松指令重新排序。与全面的 acquire 语义不同，它只保证依赖于原子加载结果的操作不会乱序，减少需发出屏障的指令数量，提升性能。

enum memory_order {
  memory_order_relaxed,
  memory_order_consume,
  memory_order_acquire,
  memory_order_release,
  memory_order_acq_rel,
  memory_order_seq_cst
};

当用法如下：

std::atomic<int*> ptr;
int data = 0;

// 线程A
int* p = ptr.load(std::memory_order_consume);
if (p) {
  // 对 *p 的访问依赖 ptr 的值
  int val = *p; // 保证不会乱序
}

加载时指定 memory_order_consume，会确保对 *p 的访问发生在加载完成之后。

2. 示例代码

#include <atomic>
#include <thread>
#include <iostream>

struct Data {
    int x;
    int y;
};

std::atomic<Data*> atomic_ptr;
int dummy = 0;

void producer() {
    static Data data {1, 2};
    atomic_ptr.store(&data, std::memory_order_release);
}

void consumer() {
    Data* p = atomic_ptr.load(std::memory_order_consume);
    if (p != nullptr) {
        // 对 p 的数据访问依赖于 ptr.load()（原子读取）
        std::cout << "x: " << p->x << ", y: " << p->y << std::endl;
    } else {
        std::cout << "No data yet." << std::endl;
    }
}

int main() {
    std::thread prod(producer);
    std::thread cons(consumer);

    prod.join();
    cons.join();
}

本文中，consumer 线程对 atomic_ptr 使用了 memory_order_consume 加载，保证对指针数据访问（数据依赖）不会乱序。

3. 代码解析

• atomic_ptr.store 采用 memory_order_release，发布更新的数据地址，保证先前对 data 的写入对后续加载可见；
• atomic_ptr.load 采用 memory_order_consume，保证对返回指针指向结构体成员的读操作不会乱序进行；
• 在多数编译器和平台中，为了兼容，memory_order_consume 实际上被等价转换为 memory_order_acquire，即全 Acquire 语义。

4. 适用场景分析

• 性能敏感的读多写少场景：memory_order_consume 希望比 acquire 技术上更弱，但因大部分编译器支持有限，该优势难以体现。
• 数据依赖模式：例如链式数据结构、消息传递等，加载指针后对指针指向数据的访问正是依赖性，符合 consume 的设计目标。
• 硬件支持及优化希望：在 ARM 或 POWER 平台，CPU 允许更宽松的数据依赖重排序，理论上能获更好性能。

5. 总结

std::memory_order_consume 作为 C++11 引入的原子内存序概念中“语义最弱”的同步方式，围绕数据依赖关系而设计，意在减少无谓的内存屏障使用。尽管目前主流编译器几乎均把它当作 memory_order_acquire 实现，理解其语义对深入掌握原子与内存模型仍十分有益。

正确使用 memory_order_consume 可以让程序在多核环境下实现极具潜力的优化，但应权衡实际硬件与编译器的支持情况。更多情况下，安全起见建议使用 memory_order_acquire。未来编译器对其的完善或许能激发其更大价值，是多线程优化开发者需要关注的标准库“冷门”知识点。