可用於原子操作的不同內存訂購約束有哪些？

可用於原子操作的不同內存訂購約束有哪些？

原子操作對於並發編程至關重要，因為它們允許以線程安全的方式執行操作。內存訂購約束，也稱為內存模型或內存排序語義，決定瞭如何彼此觀察到來自多個線程的內存操作。可用的特定約束可能會根據編程語言或硬件體系結構而有所不同，但是對原子操作的常見內存訂購約束包括：

1. 順序一致性（SC）：這是最強的內存順序約束，其中所有操作似乎都以單個線程一致的單個總順序進行。這意味著任何線程執行的任何操作都必須與所有其他線程相同的順序可見。
2. 獲取釋放（AR）：此模型通常用於C和其他語言。 “獲取”操作可確保在收購程序順序以後不會在其之前重新排序收購後出現的內存訪問。相反，“釋放”操作可確保在發布以後以程序順序發行之前出現的內存訪問。該模型比順序一致性弱，但仍然為許多並發算法提供了強大的保證。
3. 放鬆的順序：這是記憶訂購的最弱形式，在原子操作中，與其他內存操作相比，原子操作沒有提供任何訂購保證，只是原子操作本身是原子執行的。這對於確切更新順序並不重要的計數器和其他操作可能很有用。
4. 消費訂購：類似於獲取訂購，但僅訂單依賴讀取。它比獲取訂單弱，並且使用較少使用，因為其語義可能是複雜的，並且硬件支持可能會有所不同。

這些內存訂購限制使開發人員能夠平衡正確並發行為的需求，並需要進行性能優化，因為更強的訂購約束通常會導致更多開銷。

在原子操作中使用不同的內存順序約束的性能含義是什麼？

內存訂購約束的選擇可以顯著影響並發程序的性能。這是每個約束通常會影響性能的方式：

1. 順序一致性（SC）：作為最強的模型，它提供了最直觀的行為，但可以產生最高的開銷。處理器需要確保所有操作都以一致的順序在全球範圍內可見，這通常需要潮紅的緩存或其他可以減慢執行的同步機制。
2. 獲取釋放（AR）：與SC相比，此模型允許進行一些優化。只要維護依賴項順序，“獲取”和“發行”語義的使用使處理器可以重新排序獨立的內存操作。這可以減少所需的同步操作的數量，從而改善SC的性能。
3. 放鬆的訂購：放鬆訂購的開銷最少，可以在訂購併不重要的情況下提供顯著的性能優勢。通過允許對操作進行更積極的重新排序，處理器可以更有效地優化內存訪問模式。但是，它需要仔細使用以確保正確性。
4. 消費訂購：此約束可以提供與獲得性釋放相似或稍好的性能，具體取決於硬件和特定用例。但是，其有效性可能會受到其複雜性和不一致的硬件支持的限制。

總而言之，較弱的內存排序限制通常會導致更好的性能，因為它們允許加工者獲得更多的自由來優化內存操作，但它們還需要更仔細的編程以確保正確的行為。

內存順序的約束如何使用原子操作影響並發程序的正確性？

內存訂購約束在確保使用原子操作的並發程序的正確性方面起著關鍵作用。約束的選擇直接影響彼此觀察到不同線程執行的操作，這可以防止或引入種族條件和其他並發問題。這是每個約束如何影響正確性的方式：

1. 順序一致性（SC）：使用SC，所有線程都以相同的順序查看所有操作，從而更容易理解程序的行為並避免種族條件。但是，如果並非所有操作都需要如此強大的順序，可能會導致不必要的同步。
2. 獲取釋放（AR）：此模型可以確保許多常見的同步模式（例如鎖和信號量）的正確性。通過確保獲取後的操作可見之前，它可以通過確保釋放前的操作來幫助防止比賽條件。但是，如果程序員假定的訂購比實際提供的，濫用獲取釋放語義仍然會導致細微的錯誤。
3. 放鬆訂購：如果不小心處理，使用放鬆的訂購可能會導致正確的問題。沒有訂購保證，操作似乎可能是出於不同線程的順序發生，從而導致種族條件或意外行為。僅當確切的操作順序對於程序的正確性至關重要時，才應使用放鬆的訂單。
4. 消耗排序：由於其對編譯器和硬件的依賴性，因此正確使用此約束可能會很棘手。如果使用不正確，它可能無法提供必要的訂購保證，從而導致比賽條件。通常建議使用收購釋放，除非有特定的性能益處，否則對語義的理解得到了充分的理解。

總之，選擇適當的內存訂購約束對於確保並發程序的正確性至關重要。更強的約束提供了更多的保證，但可能會引入不必要的開銷，而較弱的限制可提供更好的性能，但需要更仔細的編程以避免正確的問題。

在特定用例中，應將哪種內存訂購約束用於原子操作？

對原子操作的內存順序限制的選擇取決於用例的特定要求，平衡正確性和性能。以下是選擇適當約束的一些準則：

1. 順序一致性（SC）：當程序需要有關所有線程的操作順序的最強保證時，請使用SC。這適用於確切操作順序至關重要的方案，例如在某些分佈式系統中或調試並發代碼時。但是，請注意，SC可以引入大量的性能開銷。
2. 獲取釋放（AR）：這通常是許多常見同步模式（例如鎖，信號量和條件變量）的最佳選擇。當您需要在獲取後可見釋放前的操作時，請使用AR。對於大多數並發算法，該模型在正確性和性能之間提供了良好的平衡。
3. 放鬆的訂購：使用放鬆的訂單進行確切順序不重要的操作，例如計數器或其他累積操作。這可以顯著提高性能，但只有在缺乏訂單保證不會影響計劃的正確性時才應使用。
4. 消費訂購：只有在具有特定的性能益處和語義知識時，才應謹慎使用。通常建議使用獲取釋放，因為消耗訂購可能很複雜，並且可能不會在不同的硬件上持續支持。

示例用例：

考慮一個場景，您正在實現一個簡單的計數器，該計數器由多個線程增加。如果確切的增量順序並不重要，並且您只需要最終值，則可以使用放鬆的訂購來進行原子增量操作。這將提供最佳性能。

但是，如果您要實現一個線程需要在釋放鎖之前確保其先前的所有操作都可以看到其所有先前操作的鎖定機制，則應使用“獲取釋放”語義。獲取鎖的線程將使用獲取操作，並且釋放鎖的線將使用釋放操作。

總而言之，內存排序約束的選擇應基於用例的特定要求，考慮到並發行為的正確性和績效含義。

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