C++内存模型

C++内存模型

内存模型涉及两个方面：

• 内存布局（即对象如何映射到内存）
• 并发执行中的内存访问规则

并发编程中，特别是底层的原子操作和内存位置管理非常关键。由于C++中的所有对象都和内存地址紧密相关，因此理解对象与内存位置的关系是基础。

对象和内存位置

• 对象 是C++程序中的基本数据构成单元。
• 标准中定义类对象为“存储区域”，对象可以有成员函数，甚至有子对象（如数组、类的成员）。
• 例如，int、float是基本类型的对象；用户定义的类的实例也是对象。
• 一些对象（数组、类实例、具有非静态数据成员的类实例）包含多个子对象，但其他对象则没有子对象。

内存位置（memory location）的定义：

• 一个对象会占据一个或多个内存位置。
• 每个内存位置可以存储标量类型的对象或其子对象（如unsigned short、指针、相邻位域等）。
• 对于相邻位域，虽然它们是不同的对象，但仍视为占用相同的内存位置。

例子：结构体对象的内存分解

假设一个struct包含以下成员：

struct Example {
    int a;
    int bf1 : 4;
    int bf2 : 4;
    int bf3 : 0;   // 宽度为0的位域
    int bf4 : 8;
    std::string s;
};

• 整个结构体是一个对象，包含多个子对象（成员变量）。
• 位域bf1和bf2共享一个int的内存位置（4字节/32位）。
• 宽度为0的位域bf3用于强制下一个位域bf4对齐到下一个int边界，因此bf4拥有独立内存位置。
• std::string s对象内部可能由多个内存位置组成（如指针和缓冲区等），但对外表现为一个对象。

（注：图中bf3作为命名的0宽度位域可能是示意用，C++标准中未命名的0宽度位域用于对齐。）

需要牢记的原则

1. 每个变量都是对象，包括成员变量本身也是对象。
2. 每个对象至少占用一个内存位置。
3. 基本类型对象有确定的内存位置，无论大小、是否相邻或数组元素。
4. 相邻位域属于相同内存位置的一部分。

对象、内存位置与并发

• 在多线程环境下，线程访问不同内存位置的数据不会产生问题。
• 多个线程访问同一内存位置时必须小心。
• 如果线程仅仅是读取数据，不需要同步。
• 如果至少有一个线程修改该内存位置，且没有同步机制，则会产生数据竞争，导致未定义行为。

如何避免数据竞争？

1. 互斥量（mutex）
   • 线程在访问共享数据前先锁住互斥量，保证同一时间只有一个线程访问。
2. 原子操作
   • 对共享数据使用原子类型或原子操作，明确规定访问顺序，保证操作的原子性和内存同步。

如果不规定同一内存地址的访问顺序，那么访问就不是原子的，写写冲突会导致数据竞争和未定义行为。

未定义行为是C++中的“黑洞”，出现未定义行为，程序行为无法预测，可能崩溃、数据损坏，甚至导致硬件异常（极端案例如显示器起火）。

使用原子操作的意义

• 原子操作不会消除竞争产生的可能性，但能将程序限制在定义良好的行为区域内，避免未定义行为。
• 这意味着通过原子操作程序是可预测的，但依然需要设计良好的同步逻辑。

修改顺序（Modification Order）

• 对每个对象，程序执行期间所有线程对该对象的修改都遵守一个全局确定的“修改顺序”。
• 这个顺序在程序初始化阶段确定，但可能与实际执行顺序不同。
• 所有线程必须遵守这个顺序，否则会出现数据竞争和未定义行为。

非原子类型对象的要求

• 如果对象不是原子类型，必须通过同步机制（如锁）确保所有线程遵守修改顺序。

原子类型对象的责任

• 原子操作负责实现同步，使修改顺序被所有线程可见和遵守。

投机执行与修改顺序

• 线程对特殊输入的读写不能乱序（投机执行受限）。
• 后续的读操作必须看到最新写入的值。
• 后续写操作必须发生在前面写操作之后。

其他说明

• 修改顺序是针对单个对象的顺序。
• 不同对象的操作间不要求有全局顺序。

小结：什么是原子操作？如何规定顺序？

• 原子操作是对某个内存位置的操作，保证该操作在并发下不可分割，即不可被中断。
• 原子操作为多线程环境下的共享数据访问提供了可见性和顺序保证。
• 通过原子操作，程序建立了访问同一内存位置的“修改顺序”，避免了数据竞争的未定义行为。