Acquire-Release-Semantik

Dieser Artikel beendet meine Miniserie über CppMem. Heute breche ich die Sequenzielle Konsistenz und tauche damit tief ein in die Expertendomäne.

Acquire und release Speicherbarrieren (fences) garantieren ähnliche Synchronisations- und Ordnungsbedingungen wie atomare Operationen mit Acquire-Release-Semantik. Ähnliche, denn die Unterschiede stecken im Detail.

Die zentrale Idee von std::atomic_thread_fence ist es, Synchronisations- und Ordnungsbedingungen zwischen Threads ohne Operationen auf atomaren Variablen zu etablieren.

Eine release-Operation synchronizes-with einer acquire-Operation auf der gleichen atomaren Variable. Damit lassen sich Threads einfach synchronisieren, wenn ... . Auf dieses wenn will ich tiefer eingehen.

std::memory_order_consume ist das legendärste der sechs Speichermodelle. Dieser besondere Ruf ist zwei Tatsachen geschuldet. Zum einen ist die std::memory_order_consume Ordnung sehr verständnisresistent. Zum andern hat es meines Wissens noch kein Compiler umgesetzt.

Eine release-Operation synchronisiert sich mit einer acquire-Operation auf der gleichen atomaren Variable und erzeugt dazu noch eine Ordnungsbedingung. Damit lassen sich Threads auf performante Weise synchronisieren, wenn sie auf einer gemeinsamen atomaren Variablen agieren. Doch wie lassen sich zwei Threads mit der Acquire-Release-Semantik synchronisieren, wenn sie auf keiner gemeinsamen atomaren Variablen agieren? Eine globale Ordnung der Threads mit Hilfe der Sequenziellen Konsistenz ist oft zu schwergewichtig.

Singletons lassen sich in vielen Variationen in C++11 threadsicher initialisieren. Dabei können vereinfachend gesprochen Zusicherung der C++-Laufzeit, Locks oder auch atomare Operationen verwendet werden. Mich interessiert vor allem in diesem Artikel die Antwort auf die Frage: Welche Performanzunterschiede bestehen zwischen den Variationen?

Mit der Relaxed-Semantik gelten keine Synchronisations- und Ordnungsbedingungen auf den atomaren Operationen.

Mit der Acquire-Release-Semantik verlassen wir das Default-Speichermodell in C++. In der Acquire-Release-Semantik findet die Synchronisation nicht zwischen Threads, sondern zwischen atomaren Operationen auf der gleichen atomaren Variable statt.