這里從兩方面來講內(nèi)存模型：一方面是基本結(jié)構(gòu)，這與事務(wù)在內(nèi)存中是怎樣布局的有關(guān)；另一方面就是并發(fā)。對于并發(fā)基本結(jié)構(gòu)很重要，特別是在低層原子操作。所以我將會從基本結(jié)構(gòu)講起。C++中它與所有的對象和內(nèi)存位置有關(guān)。

5.1.1 對象和內(nèi)存位置

在一個C++程序中的所有數(shù)據(jù)都是由對象(objects)構(gòu)成。這不是說你可以創(chuàng)建一個int的衍生類，或者是基本類型中存在有成員函數(shù)，或是像在Smalltalk和Ruby語言下討論程序那樣——“一切都是對象”?！皩ο蟆眱H僅是對C++數(shù)據(jù)構(gòu)建塊的一個聲明。C++標準定義類對象為“存儲區(qū)域”，但對象還是可以將自己的特性賦予其他對象，比如，其類型和生命周期。

像int或float這樣的對象就是簡單基本類型；當(dāng)然，也有用戶定義類的實例。一些對象(比如，數(shù)組，衍生類的實例，特殊（具有非靜態(tài)數(shù)據(jù)成員）類的實例)擁有子對象，但是其他對象就沒有。

無論對象是怎么樣的一個類型，一個對象都會存儲在一個或多個內(nèi)存位置上。每一個內(nèi)存位置不是一個標量類型的對象，就是一個標量類型的子對象，比如，unsigned short、my_class*或序列中的相鄰位域。當(dāng)你使用位域，就需要注意：雖然相鄰位域中是不同的對象，但仍視其為相同的內(nèi)存位置。如圖5.1所示，將一個struct分解為多個對象，并且展示了每個對象的內(nèi)存位置。

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圖5.1 分解一個struct，展示不同對象的內(nèi)存位置

首先，完整的struct是一個有多個子對象(每一個成員變量)組成的對象。位域bf1和bf2共享同一個內(nèi)存位置(int是4字節(jié)、32位類型)，并且std::string類型的對象s由內(nèi)部多個內(nèi)存位置組成，但是其他的每個成員都擁有自己的內(nèi)存位置。注意，位域?qū)挾葹?的bf3是如何與bf4分離，并擁有各自的內(nèi)存位置的。(譯者注：圖中bf3是一個錯誤展示，在C++和C中規(guī)定，寬度為0的一個未命名位域強制下一位域?qū)R到其下一type邊界，其中type是該成員的類型。這里使用命名變量為0的位域，可能只是想展示其與bf4是如何分離的。有關(guān)位域的更多可以參考wiki的頁面)。

這里有四個需要牢記的原則：

1. 每一個變量都是一個對象，包括作為其成員變量的對象。
   
2. 每個對象至少占有一個內(nèi)存位置。
   
3. 基本類型都有確定的內(nèi)存位置(無論類型大小如何，即使他們是相鄰的，或是數(shù)組的一部分)。
   
4. 相鄰位域是相同內(nèi)存中的一部分。
   

我確定你會好奇，這些在并發(fā)中有什么作用，那么下面就讓我們來見識一下。

5.1.2 對象、內(nèi)存位置和并發(fā)

這部分對于C++的多線程應(yīng)用來說是至關(guān)重要的：所有東西都在內(nèi)存中。當(dāng)兩個線程訪問不同的內(nèi)存位置時，不會存在任何問題，一切都工作順利。而另一種情況下，當(dāng)兩個線程訪問同一個內(nèi)存位置，你就要小心了。如果沒有線程更新內(nèi)存位置上的數(shù)據(jù)，那還好；只讀數(shù)據(jù)不需要保護或同步。當(dāng)有線程對內(nèi)存位置上的數(shù)據(jù)進行修改，那就有可能會產(chǎn)生條件競爭，就如第3章所述的那樣。

為了避免條件競爭，兩個線程就需要一定的執(zhí)行順序。第一種方式，如第3章所述那樣，使用互斥量來確定訪問的順序；當(dāng)同一互斥量在兩個線程同時訪問前被鎖住，那么在同一時間內(nèi)就只有一個線程能夠訪問到對應(yīng)的內(nèi)存位置，所以后一個訪問必須在前一個訪問之后。另一種方式是使用原子操作同步機制(詳見5.2節(jié)中對于原子操作的定義)，決定兩個線程的訪問順序。使用原子操作來規(guī)定順序在5.3節(jié)中會有介紹。當(dāng)多于兩個線程訪問同一個內(nèi)存地址時，對每個訪問這都需要定義一個順序。

如果不去規(guī)定兩個不同線程對同一內(nèi)存地址訪問的順序，那么訪問就不是原子的；并且，當(dāng)兩個線程都是“作者”時，就會產(chǎn)生數(shù)據(jù)競爭和未定義行為。

以下的聲明由為重要：未定義的行為是C++中最黑暗的角落。根據(jù)語言的標準，一旦應(yīng)用中有任何未定義的行為，就很難預(yù)料會發(fā)生什么事情；因為，未定義行為是難以預(yù)料的。我就知道一個未定義行為的特定實例，讓某人的顯示器起火的案例。雖然，這種事情應(yīng)該不會發(fā)生在你身上，但是數(shù)據(jù)競爭絕對是一個嚴重的錯誤，并且需要不惜一切代價避免它。

另一個重點是：當(dāng)程序中的對同一內(nèi)存地址中的數(shù)據(jù)訪問存在競爭，你可以使用原子操作來避免未定義行為。當(dāng)然，這不會影響競爭的產(chǎn)生——原子操作并沒有指定訪問順序——但原子操作把程序拉回了定義行為的區(qū)域內(nèi)。

在我們了解原子操作前，還有一個有關(guān)對象和內(nèi)存地址的概念需要重點了解：修改順序。

5.1.3 修改順序

每一個在C++程序中的對象，都有(由程序中的所有線程對象)確定好的修改順序，在的初始化開始階段確定。在大多數(shù)情況下，這個順序不同于執(zhí)行中的順序，但是在給定的執(zhí)行程序中，所有線程都需要遵守這順序。如果對象不是一個原子類型(將在5.2節(jié)詳述)，你必要確保有足夠的同步操作，來確定每個線程都遵守了變量的修改順序。當(dāng)不同線程在不同序列中訪問同一個值時，你可能就會遇到數(shù)據(jù)競爭或未定義行為(詳見5.1.2節(jié))。如果你使用原子操作，編譯器就有責(zé)任去替你做必要的同步。

這一要求意味著：投機執(zhí)行是不允許的，因為當(dāng)線程按修改順序訪問一個特殊的輸入，之后的讀操作，必須由線程返回較新的值，并且之后的寫操作必須發(fā)生在修改順序之后。同樣的，在同一線程上允許讀取對象的操作，要不返回一個已寫入的值，要不在對象的修改順序后(也就是在讀取后)再寫入另一個值。雖然，所有線程都需要遵守程序中每個獨立對象的修改順序，但它們沒有必要遵守在獨立對象上的相對操作順序。在5.3.3節(jié)中會有更多關(guān)于不同線程間操作順序的內(nèi)容。

所以，什么是原子操作？它如何來規(guī)定順序？接下來的一節(jié)中，會為你揭曉答案。