如果不使用任何同步机制（例如 mutex 或 atomic），在多线程中读写同一个变量，那么，程序的结果是难以预料的。主要原因有一下几点：
- 简单的读写不是原子操作
- CPU 可能会调整指令的执行顺序
- 在 CPU cache 的影响下，一个 CPU 执行了某个指令，不会立即被其它 CPU 看见
原子操作说的是，一个操作的状态要么就是未执行，要么就是已完成，不会看见中间状态。
下面看一个非原子操作给多线程编程带来的影响：
int64_t i = 0; // global variable
Thread-1: Thread-2:
i++; std::cout << i;C++ 并不保证 i++ 是原子操作。从汇编的角度看，读写内存的操作一般分为三步：
- 将内存单元读到 cpu 寄存器
- 修改寄存器中的值
- 将寄存器中的值回写入对应的内存单元
进一步，有的 CPU Architecture， 64 位数据（int64_t）在内存和寄存器之间的读写需要两条指令。
这就导致了 i++ 操作在 cpu 的角度是一个多步骤的操作。所以 Thread-2 读到的可能是一个中间状态。
为了优化程序的执行性能，编译器和 CPU 可能会调整指令的执行顺序。为阐述这一点，下面的例子中，让我们假设所有操作都是原子操作：
int x = 0; // global variable
int y = 0; // global variable
Thread-1: Thread-2:
x = 100; while (y != 200) {}
y = 200; std::cout << x;
如果 CPU 没有乱序执行指令，那么 Thread-2 将输出 100。然而，对于 Thread-1 来说，x = 100; 和 y = 200; 这两个语句之间没有依赖关系，因此，Thread-1 允许调整语句的执行顺序：
Thread-1:
y = 200;
x = 100;在这种情况下，Thread-2 将输出 0 或 100。
CPU cache 也会影响到程序的行为。下面的例子中，假设从时间上来讲，A 操作先于 B 操作发生：
int x = 0; // global variable
Thread-1: Thread-2:
x = 100; // A std::cout << x; // B
尽管从时间上来讲，A 先于 B，但 CPU cache 的影响下，Thread-2 不能保证立即看到 A 操作的结果，所以 Thread-2 可能输出 0 或 100。
对于 C++ 程序来说，解决以上问题的办法就是使用同步机制，最常见的同步机制就是 std::mutex 和 std::atomic。从性能角度看，通常使用 std::atomic 会获得更好的性能。
C++ 提供了四种 memory ordering ：
- Relaxed ordering
- Release-Acquire ordering
- Release-Consume ordering
- Sequentially-consistent ordering
在这种模型下，std::atomic 的 load() 和 store() 都要带上 memory_order_relaxed 参数。Relaxed ordering 仅仅保证 load() 和 store() 是原子操作，除此之外，不提供任何跨线程的同步。
先看看一个简单的例子：
std::atomic<int> x = 0; // global variable
std::atomic<int> y = 0; // global variable
Thread-1: Thread-2:
//A // C
r1 = y.load(memory_order_relaxed); r2 = x.load(memory_order_relaxed);
//B // D
x.store(r1, memory_order_relaxed); y.store(42, memory_order_relaxed);
执行完上面的程序，可能出现 r1 == r2 == 42。理解这一点并不难，因为编译器允许调整 C 和 D 的执行顺序。如果程序的执行顺序是 D -> A -> B -> C，那么就会出现 r1 == r2 == 42。
如果某个操作只要求是原子操作，除此之外，不需要其它同步的保障，就可以使用 Relaxed ordering。程序计数器是一种典型的应用场景：
#include <cassert>
#include <vector>
#include <iostream>
#include <thread>
#include <atomic>
std::atomic<int> cnt = {0};
void f()
{
for (int n = 0; n < 1000; ++n) {
cnt.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed);
}
}
int main()
{
std::vector<std::thread> v;
for (int n = 0; n < 10; ++n) {
v.emplace_back(f);
}
for (auto& t : v) {
t.join();
}
assert(cnt == 10000); // never failed
return 0;
}在这种模型下，store() 使用 memory_order_release，而 load() 使用 memory_order_acquire。这种模型有两种效果，第一种是可以限制 CPU 指令的重排：
- 在
store()之前的所有读写操作，不允许被移动到这个store()的后面。 - 在
load()之后的所有读写操作，不允许被移动到这个load()的前面。
除此之外，还有另一种效果：假设 Thread-1 store() 的那个值，成功被 Thread-2 load() 到了，那么 Thread-1 在 store() 之前对内存的所有写入操作，此时对 Thread-2 来说，都是可见的。
下面的例子阐述了这种模型的原理：
#include <thread>
#include <atomic>
#include <cassert>
#include <string>
std::atomic<bool> ready{ false };
int data = 0;
void producer()
{
data = 100; // A
ready.store(true, std::memory_order_release); // B
}
void consumer()
{
while (!ready.load(std::memory_order_acquire)){} // C
assert(data == 100); // never failed // D
}
int main()
{
std::thread t1(producer);
std::thread t2(consumer);
t1.join();
t2.join();
return 0;
}让我们分析一下这个过程：
- 首先 A 不允许被移动到 B 的后面。
- 同样 D 也不允许被移动到 C 的前面。
- 当 C 从 while 循环中退出了，说明 C 读取到了 B
store()的那个值，此时，Thread-2 保证能够看见 Thread-1 执行 B 之前的所有写入操作（也即是 A）。
在这种模型下，store() 使用 memory_order_release，而 load() 使用 memory_order_consume。这种模型有两种效果，第一种是可以限制 CPU 指令的重排：
- 在
store()之前的与原子变量相关的所有读写操作，不允许被移动到这个store()的后面。 - 在
load()之后的与原子变量相关的所有读写操作，不允许被移动到这个load()的前面。
除此之外，还有另一种效果：假设 Thread-1 store() 的那个值，成功被 Thread-2 load() 到了，那么 Thread-1 在 store() 之前对与原子变量相关的内存的所有写入操作，此时对 Thread-2 来说，都是可见的。
下面的例子阐述了这种模型的原理：
#include <thread>
#include <atomic>
#include <cassert>
#include <string>
std::atomic<std::string*> ptr;
int data;
void producer()
{
std::string* p = new std::string("Hello"); //A
data = 42;
//ptr依赖于p
ptr.store(p, std::memory_order_release); //B
}
void consumer()
{
std::string* p2;
while (!(p2 = ptr.load(std::memory_order_consume))) //C
;
// never fires: *p2 carries dependency from ptr
assert(*p2 == "Hello"); //D
// may or may not fire: data does not carry dependency from ptr
assert(data == 42);
}
int main()
{
std::thread t1(producer);
std::thread t2(consumer);
t1.join(); t2.join();
}让我们分析一下这个过程：
- 首先 A 不允许被移动到 B 的后面。
- 同样 D 也不允许被移动到 C 的前面。
- data 与 ptr 无关，不会限制他的重排序
- 当 C 从 while 循环中退出了，说明 C 读取到了 B
store()的那个值，此时，Thread-2 保证能够看见 Thread-1 执行 B 之前的与原子变量相关的所有写入操作（也即是 A）。
Sequentially-consistent ordering 是缺省设置，在 Release-Acquire ordering 限制的基础上，保证了所有设置了 memory_order_seq_cst 标志的原子操作按照代码的先后顺序执行。