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<meta http-equiv="Content-Type" content="text/html;charset=us-ascii">
<title>N3125: Omnibus Memory Model and Atomics Paper</title>
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        ins {background-color:#A0FFA0}
        del {background-color:#FFA0A0}
</style>
</head><body>
<h1>N3125: Omnibus Memory Model and Atomics Paper</h1>

<p>
ISO/IEC JTC1 SC22 WG21 N3125 = 10-0115 - 2010-08-22
</p>

<p>
Paul E. McKenney, paulmck@linux.vnet.ibm.com
<br>
Mark Batty, mjb220@cl.cam.ac.uk
<br>
Clark Nelson, clark.nelson@intel.com
<br>
Hans Boehm, hans.boehm@hp.com
<br>
Anthony Williams, anthony@justsoftwaresolutions.co.uk
<br>
Scott Owens, Scott.Owens@cl.cam.ac.uk
<br>
Susmit Sarkar, susmit.sarkar@cl.cam.ac.uk
<br>
Peter Sewell, Peter.Sewell@cl.cam.ac.uk
<br>
Tjark Weber, tw333@cam.ac.uk
<br>
Michael Wong, michaelw@ca.ibm.com
<br>
Lawrence Crowl, crowl@google.com
</p>

<h2>Introduction</h2>

<p>
Mark Batty, Scott Owens, Susmit Sarkar, Peter Sewell, and Tjark Weber
recently analyzed a formalized variant of the C++
memory model, which uncovered a number of potential issues discussed in
an email thread entitled
&ldquo;Some more memory model issues from Mark Batty&rdquo;
initiated by Hans Boehm on June 13, 2010, and in another email thread
entitled &ldquo;Further C++ concurrency discussion&rdquo;
initiated by Mark Batty on July 28, 2010.
This paper summarizes the ensuing discussion, calling out changes that
appear uncontroversial and summarizing positions on contended issues.
Some of these issues have been captured as national-body comments,
and the disposition of any remaining issues is to be determined.
</p>

<p>Please note that only those issues related to the memory model
are included in this paper.
In addition, this version of the paper does not yet include
issues raised in the July thread that were not also covered in
the June thread.
</p>

<p>More details on the work leading up to this paper may be found
<a href="http://www.cl.cam.ac.uk/~mjb220/cpp/model.pdf">here</a>
and
<a href="http://www.cl.cam.ac.uk/~pes20/cpp/">here</a>.
</p>

<h2>Editorial Issues Discussed in June Email Thread</h2>

<h3>GB 5: Inter-thread-happens-before is not acyclic [Clark]</h3>

<dl>
<dt>Sections:</dt>
<dd>1.9</dd>

<dt>Comment:</dt>
<dd>The evaluation of function arguments are now indeterminately sequenced,
rather than left completely unspecified, as part of the new language
describing the memory model. A clearer example of unspecified behavior
should be used here.
</dd>

<dt>Proposal:</dt>
<dd>Make the editorial change.</dd>

<dt>Resolution:</dt>
<dd>Done</dd>
</dl>

<h2>Non-Controversial Issues Discussed in June Email Thread</h2>

<h3>CA 8, GB 10: Inter-thread-happens-before is not acyclic [Clark]</h3>

<dl>
<dt>Sections:</dt>
<dd>1.10p10, 1.10p11</dd>

<dt>Comment:</dt>
<dd>The following litmus test is generally agreed to be disallowed,
however, Batty et al. uncovered a case where the standard does not
forbid it, as shown by the following example from their paper:

<blockquote>
<table border=3>
<tr><th>Thread 0</th><th>Thread 1</th></tr>
<tr><td><code>r1 = x.load(memory_order_consume);</code></td>
        <td><code>r2 = y.load(memory_order_consume);</code></td></tr>
<tr><td><code>y.store(1, memory_order_release);</code></td>
        <td><code>x.store(1, memory_order_release);</code></td></tr>
</table>
</blockquote>

<p>The standard permits the counter-intuitive outcome
<code>x == 1 && y == 1</code>, an outcome that cannot occur on any
hardware platform that we are aware of.
</p>
</dd>

<dt>Proposal:</dt>
<dd>In 1.10p10:
<blockquote>
<p>An evaluation <var>A</var> happens before an
evaluation <var>B</var> if:</p>

<ul>
<li><var>A</var> is sequenced before <var>B</var>,
or</li>
<li><var>A</var> inter-thread happens before <var>B</var>.</li>
</ul>
<p><ins>The implementation shall ensure that no program
execution demonstrates a cycle in the "happens before" relation. [ <em>Note:</em>

This would otherwise be possible only through the use of consume
operations. &#8212; <em>end note</em> ]</ins></p>
</blockquote>
</dd>

<dt>Resolution:</dt>
<dd>Adopt the proposal.</dd>
</dl>

<h3>CA 9: Imposed happens-before edges should be synchronizes-with [Clark]</h3>

<dl>
<dt>Sections:</dt>
<dd>1.10p7, 27.2.3p2, 29.3p1, 30.3.1.2p6, 30.3.1.5p7, 30.6.4p7, 30.6.9p5,
and 30.6.10.1p23</dd>

<dt>Comment:</dt>
<dd>The happens-before relation is not transitive, and so it is not
appropriate to specify happens-before for library functions that are
intended to impose ordering because happens-before cannot always be
extended using a trailing sequenced-before relation.
Therefore, synchronized-with should be used in place of happens-before
for this purpose.
</dd>

<dt>Proposal:</dt>
<dd>
<p>Change 1.10p7:</p>
<blockquote>

<p>Certain library calls <dfn>synchronize with</dfn>
other library calls
performed by another thread. <del>In particular, an
atomic operation <var>A</var> that performs a release
operation on an atomic
object <var>M</var> synchronizes with an atomic
operation <var>B</var> that performs an acquire operation
on <var>M</var> and reads a value
written by any side effect in
the release sequence headed by <var>A</var>.</del> <ins>[

<em>Example:</em> An atomic store-release synchronizes
with
a load-acquire that takes its value from the store. (29.3 atomics.order) &#8212; <em>end example</em> ]</ins>
[ <em>Note: ...</em></p>
</blockquote>
<p>Insert a new paragraph following 29.3p1:</p>
<blockquote>
<p><ins>An atomic operation <var>A</var>

that performs
a release
operation on an atomic
object <var>M</var> synchronizes with an atomic
operation <var>B</var> that performs an acquire operation
on <var>M</var> and takes its value from any side effect
in
the release sequence headed by <var>A</var>.</ins></p>
</blockquote>

<p>Replace &ldquo;happens-before&rdquo; with
&ldquo;synchronizes-with&rdquo; in 27.2.3p2:</p>

<blockquote><p>
        If one thread makes a library call <var>a</var> that writes a
        value to a stream and, as a result, another thread reads this
        value from the stream through a library call <var>b</var> such
        that this does not result in a data race, then <var>a</var><ins>'s
        write</ins>
        <del>happens before</del> <ins>synchronizes with</ins>
        <var>b</var><ins>'s read</ins>.

</p>
</blockquote>

<p>Replace &ldquo;happens-before&rdquo; with &ldquo;synchronizes-with&rdquo; in
30.3.1.2p6:</p>

<blockquote><p>
          Synchronization: The <ins>last store operation in the</ins>
          invocation of the constructor <del>happens
          before</del> <ins>synchronizes with</ins> the <ins>first read
          operation in the</ins> invocation of the copy of <var>f</var>.
</p> 
</blockquote>

<p>Replace &ldquo;happens-before&rdquo; with &ldquo;synchronizes-with&rdquo; in
30.3.1.5p7:</p>

<blockquote><p>
        Synchronization: The <del>completion of</del> <ins>last store
        operation carried out by</ins> the thread represented by
        <var>*this</var> <del>happens before</del> <ins>synchronizes
        with</ins> (1.10) <ins>the corresponding successful</ins>
        <var>join()</var> return<del>s</del>. [ Note: Operations
        on <var>*this</var> are not synchronized. &mdash; end note ]
</p> 
</blockquote>

<p>Replace &ldquo;happens-before&rdquo; with &ldquo;synchronizes-with&rdquo; in
30.6.4p7:</p>

<blockquote><p>
        Calls to functions that successfully set the stored result of
        an associated asynchronous state synchronize with (1.10) calls
        to functions successfully detecting the ready state resulting
        from that setting. The storage of the result (whether normal or
        exceptional) into the associated asynchronous state <del>happens
        before</del> <ins>synchronizes with</ins>
        (1.10) <del>that state is set to ready</del>
        <ins>the successful return from a call to a waiting function on
        the associated asynchronous state</ins>.
</p> 
</blockquote>

<p>Replace &ldquo;happens-before&rdquo; with &ldquo;synchronizes-with&rdquo; in
30.6.9p5:</p>

<blockquote><p>
        Synchronization: the invocation of async <del>happens
        before</del> <ins>synchronizes with</ins> (1.10) the invocation
        of <var>f</var>. [ Note: this statement applies even when
        the corresponding <var>future</var> object is moved to another
        thread. &mdash; end note ] If the invocation is not deferred, a call
        to a waiting function on an asynchronous return object that shares
        the associated asynchronous state created by this <var>async</var>
        call shall block until the associated thread has completed. If the
        invocation is not deferred, the <var>join()</var> on the created
        thread <del>happens-before</del> <ins>synchronizes with</ins>
        (1.10) the first function that successfully detects the ready
        status of the associated asynchronous state returns or before
        the function that gives up the last reference to the associated
        asynchronous state returns, whichever happens first. If the
        invocation is deferred, the completion of the invocation of the
        deferred function <del>happens-before</del> <ins>synchronizes
        with</ins> the <ins>the successful return from a call to a
        waiting function on the associated asynchronous state.</ins>
        <del>calls to the waiting functions return.</del>
</p> 
</blockquote>

<p>Replace &ldquo;happens-before&rdquo; with &ldquo;synchronizes-with&rdquo; in
30.6.10.1p23:</p>

<blockquote><p>
        Synchronization: a successful call to <var>operator()</var>
        synchronizes with (1.10) a call to any member function
        of a <var>future</var>, <var>shared_future</var>, or
        <var>atomic_future</var> object that shares the associated
        asynchronous state of <var>*this</var>. The completion of the
        invocation of the stored task and the storage of the result
        (whether normal or exceptional) into the associated asynchronous
        state <del>happens before</del> <ins>synchronizes with</ins>
        (1.10) <ins>the successful return from any member function that
        detects that</ins> the state is set to ready.
        [ Note: <var>operator()</var>
        synchronizes and serializes with other functions through the
        associated asynchronous state. &mdash; end note ]

</p> 
</blockquote>
</dd>

<dt>Resolution:</dt>
<dd>Adopt the proposal.</dd>
</dl>

<h3>CA 11: &ldquo;Subsequent&rdquo; in vsse definition</h3>

<dl>
<dt>Comment</dt>
<dd>
<p>Batty et al. propose removing the word &ldquo;subsequent&rdquo; from
1.10p12 (presumably instead meaning 1.10p13), stating that this
will clarify the definition.
</p>
</dd>
</dl>

<h4>Discussion</h4>

<p>This change has interesting consequences.
The current wording is as follows, with the word being proposed for
removal so marked:
</p>

<blockquote>
        <p>The <i>visible sequence of side effects</i> on an atomic object
        <code>M</code>, with respect to a value computation <code>B</code>
        of <code>M</code>, is a maximal contiguous sub-sequence of side
        effects in the modification order of <code>M</code>, where the
        first side effect is visible with respect to <code>B</code>,
        and for every <del>subsequent</del> side effect, it is not the case
        that B happens before it.
        The value of an atomic object <code>M</code>, as determined by
        evaluation <code>B</code>, shall be the value stored by some
        operation in the visible sequence of <code>M</code> with respect
        to <code>B</code>.
        Furthermore, if a value computation <code>A</code> of an
        atomic object <code>M</code>happens before a value computation
        <code>B</code> of <code>M</code>, and the value computed by
        <code>A</code> corresponds to the value stored by side effect
        <code>X</code>, then the value computed by <code>B</code>
        shall either equal the value computed by <code>A</code>,
        or be the value stored by side effect <code>Y</code>, where
        <code>Y</code> follows <code>X</code> in the modification order
        of <code>M</code>.
        [ Note: This effectively disallows compiler reordering of
        atomic operations to a single object, even if both operations
        are &ldquo;relaxed&rdquo; loads.
        This effectively makes the &ldquo;cache coherence&rdquo; guarantee
        provided by most hardware available to C++ atomic operations. &mdash;
        end note ]
        [ Note: The visible sequence depends on the
        &ldquo;happens before&rdquo; relation,
        which depends on the values observed by loads of atomics, which we
        are restricting here. The intended reading is that there must exist
        an association of atomic loads with modifications they observe that,
        together with suitably chosen modification orders and the
        &ldquo;happens before&rdquo; relation derived as described above,
        satisfy the resulting constraints as imposed here. &mdash; end note ]
        </p>
</blockquote>

<p>The effect of the current wording is as follows:
</p>

<ol>
<li>        The last side-effect in the modification order of <code>M</code>
        that happens before value computation <code>B</code> is the
        visible side effect.
        Call it <code>V</code>.
<li>        The first side-effect in the modification order of <code>M</code>
        such that <code>B</code> happen before it will be called
        <code>I</code>.
        <code>I</code> and all subsequent side-effects are <i>not</i>
        in the visible sequence of side effects.
<li>        The word &ldquo;subsequent&rdquo; adds the constraint that
        no side effect in the modification order of <code>M</code>
        that precedes <code>V</code> can be part of the visible
        sequence of side effects.
</ol>

<p>Does some hardware actually operate in this fashion, so that a value
computation might return some value preceding the last side-effect in
the modification order of <code>M</code> that happens-before that value
computation?
</p>

<h4>Resolution:</h4>

<p>Adopt the changes proposed for CA 8.
</p>

<h3>CA 12: The use of maximal in the definition of release sequence [Paul]</h3>

<dl>
<dt>Sections:</dt>
<dd>1.10p6</dd>

<dt>Comment:</dt>
<dd>
<p>Batty et al. describe an interpretation of 1.10p6 that would
only require that release sequences be extended back to the
first release operation in a given thread out of a sequence of
release operations on a given object.
</p>

<p>This interpretation can be considered perverse in light of the
wording of 1.10p7, however, the suggested modification is consistent
with the intent.
</p>
</dd>

<dt>Proposal:</dt>
<dd>
<p>Replace 1.10p6 with the following:</p>

<blockquote>
        <p>A <i>release sequence</i>
        <ins>from a release operation <code>A</code></ins> on
        an atomic object <code>M</code> is a maximal contiguous
        sub-sequence of side effects in the modification order of
        <code>M</code>, where the first operation is
        <del>a release</del>
        <ins><code>A</code></ins>,
        and every subsequent operation
        </p>
        <ul>
        <li>        is performed by the same thread that performed
                <del>the release</del>
                <ins><code>A</code></ins>,
                or
        <li>        is an atomic read-modify-write operation.
        </ul>
</blockquote>

<p>Please note that this has been modified slightly from that proposed
by Batty et al.
</p>
</dd>

<dt>Resolution:</dt>
<dd>Adopt the proposal.</dd>
</dl>

<h3>CA 13: Wording of the read-read coherence condition [Paul]</h3>

<dl>
<dt>Section:</dt>
<dd>1.10p13</dd>

<dt>Comment:</dt>
<dd>
<p>Batty et al. suggest that the following wording from 1.10p13:
</p>

<blockquote>
        <p>Furthermore, if a value computation <code>A</code> of an atomic
        object <code>M</code> happens before a value computation
        <code>B</code> of <code>M</code>, and the value computed by
        <code>A</code> corresponds to the value stored by side effect
        <code>X</code>, then the value computed by <code>B</code> shall
        either equal the value computed by <code>A</code>, or be the value
        stored by side effect <code>Y</code>, where <code>Y</code> follows
        <code>X</code> in the modification order of <code>M</code>.
        </p>
</blockquote>

<p>be changed to the following:
</p>

<blockquote>
        <p>Furthermore, if a value computation <code>A</code> of an atomic
        object <code>M</code> happens before a value computation
        <code>B</code> of <code>M</code>, and <code>A</code> takes
        its value from the side effect <code>X</code>, then the value
        computed by <code>B</code> shall either be the value stored
        by <code>X</code>, or the value stored by a side effect
        <code>Y</code>, where <code>Y</code> follows <code>X</code>
        in the modification order of <code>M</code>.
        </p>
</blockquote>
<dd>

<dt>Proposal:</dt>
<dd>
Use notation uniformly, as follows:

<blockquote>
        <p>Furthermore, if a value computation <code>A</code> of an atomic
        object <code>M</code> happens before a value computation
        <code>B</code> of <code>M</code>, and <del>the value computed by
        <code>A</code> corresponds to the value stored by</del>
        <ins><code>A</code> takes its value from</ins> side effect
        <code>X</code>, then <del>the value computed by</del>
        <code>B</code> shall
        <del>either equal the value computed by <code>A</code>,</del>
        <ins>take its value either from <code>X</code></ins>
        or <del>be
        the value stored by side effect</del> <ins>from
        <ins>a</ins> side effect</ins>
        <code>Y</code>,
        where <code>Y</code> follows
        <code>X</code> in the modification order of <code>M</code>.
        </p>
</blockquote>
</dd>

<dt>Resolution:</dt>
<dd>Adopt the proposal.</dd>
</dl>

<h3>CA 14: Initialization of atomics</h3>

<dl>
<dt>Sections:</dt>
<dd>1.10p4</dd>

<dt>Comment:</dt>
<dd>
<p>Batty et al. suggest adding the following non-normative note to
1.10p4:
</p>

<blockquote>
        <p>[ Note: There may be non-atomic writes to atomic objects, for
        example on intialization and re-initialization. &mdash; end note ]
        </p>
</blockquote>
</dd>
</dl>

<h4>Discussion</h4>

<p>There was some dissatisfaction with this approach expressed in the
June email thread.
It is quite possible specifying this would be encroaching on the
prerogatives of implementors, who are in
any case free to perform operations non-atomically when permitted by
the as-if rule.
Implementors may also perform initializations atomically, again,
when permitted by the as-if rule.
</p>

<h4>Resolution</h4>

<p>Adopt the update proposed by US 168.
</p>

<h3>CA 15: Intra-thread dependency-ordered-before [Paul]</h3>

<dl>
<dt>Section:</dt>
<dd>1.10p9</dd>

<dt>Comment:</dt>
<dd>
Batty et al. note that, unlike synchronizes-with,
the dependency-ordered before relation can operate within a thread.
This was not the intent.
Instead, intra-thread operations are covered by the rules applying
to execution of a single thread.
</dd>

<dt>Proposal:</dt>
<dd>
<p>Update 1.10p9 as follows:
</p>

<blockquote>
        <p>An evaluation <code>A</code> is dependency-ordered before an
        evaluation <code>B</code> if
        </p>
        <ul>
        <li>        <code>A</code> performs a release operation on an atomic
                object <code>M</code>, and <ins>on another thread,</ins>
                <code>B</code> performs a
                consume operation on <code>M</code> and reads a value
                written by any side effect in the release sequence headed
                by <code>A</code>, or
        <li>        for some evaluation <code>X</code>, <code>A</code> is
                dependency-ordered before <code>X</code> and
                <code>X</code> carries a dependency to <code>B</code>.
        </ul>
</blockquote>
</dd>

<dt>Resolution:</dt>
<dd>Adopt the proposal.</dd>
</dl>

<h3>CA 22: Control Dependencies for Atomics [Paul]</h3>
<dl>
<dt>Sections:</dt>
<dd>N/A</dd>

<dt>Comment:</dt>
<dd>&ldquo;Control dependencies for atomics<br>
Given the examples of compilers interchanging data and control
dependencies, and that control dependencies are architecturally
respected on Power/ARM for load->store (and on Power for load->load with
a relatively cheap isync), we're not sure why carries-a-dependency-to
does not include control dependencies between atomics.&rdquo;
</dd>
<dt>Proposal:</dt>
<dd>Please clarify.</dd>
</dl>

<h4>Discussion</h4>

<p>At the time that the memory model was formulated, there was
considerable uncertainty as to what architectures respect control
dependencies, and to what extent.
It appears that this uncertainty is being cleared up, and our hope
is that it will be ripe for standardization in a later TR.
</p>

<h4>Resolution</h4>

<p>Not a Defect
</p>


<h3>US 10: Overlapping Atomics [Lawrence]</h3>

<dl>
<dt>Sections:</dt>
<dd>1.10/14</dd>

<dt>Comment:</dt>
<dd>The definition of a data race does not take into account
two overlapping atomic operations.</dd>

<dt>Proposal:</dt>
<dd>Augment the first sentence:
The execution of a program contains a data race if
it contains two conflicting actions in different
threads, at least one of which is not atomic (or
both are atomic and operate on overlapping, but
not-identical, memory locations), and neither
happens before the other.
</dd>
</dl>

<h4>Discussion</h4>

<p>The premise is incorrect;
atomic objects may not overlap.
The type argument to the <code>atomic</code> template
must be a trivially-copyable type (29.5.3/1)
and atomic objects are not trivially copyable.
The atomic types provide no means to obtain a reference to internal members;
all atomic operations are copy-in/copy-out.</p>

<h4>Resolution</h4>

<p>Not a Defect</p>

<h3>US 12: N3074 [Paul]</h3>
<dl>
<dt>Sections:</dt>
<dd>1.10p2, 1.10p14</dd>

<dt>Comment:</dt>
<dd>Adapt <a href="http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2010/n3074.html">N3074</a>.</dd>

<dt>Proposal:</dt>
<dd>The proposed change to 1.10p2 has been adopted.
However, the proposed change to 1.10p14 has not, so the following
modification needs to be made:

<blockquote>
        <p>
        The execution of a program contains a data race if it contains
        two conflicting actions in different threads, at least one of
        which is not atomic, and neither happens before the other. Any
        such data race results in undefined behavior. [ Note: It can be
        shown that programs that correctly use simple locks
        <ins>
        and <code>memory_order_seq_cst</code> operations
        </ins>
        to prevent all
        data races and
        <ins>
        that
        </ins>
        use no other synchronization operations behave as
        <del>
        the executions of
        </del>
        <ins>
        if the operations executed by
        </ins>
        their constituent threads
        <del>
        were
        </del>
        <ins>
        are
        </ins>
        simply
        interleaved, with each
        <del>
        observed value
        </del>
        <ins>
        value computation
        </ins>
        of an object being the
        <del>
        last value assigned
        </del>
        <ins>
        last side effect on that object
        </ins>
        in that interleaving. This is normally
        referred to as &ldquo;sequential consistency&rdquo;. However,
        this applies only to
        <ins>data&ndash;</ins>race&ndash;free programs, and
        <ins>data&ndash;</ins>race&ndash;free programs
        cannot observe most program transformations that do not change
        single&ndash;threaded program semantics.
        In fact, most single&ndash;threaded
        program transformations continue to be allowed, since any program
        that behaves differently as a result must perform an undefined
        operation. &mdash; end note ]
        </p>
</blockquote>
</dd>

<dt>Resolution:</dt>
<dd>Adopt the proposal.</dd>
</dl>

<h3>US 168, US 171: Initializing Atomics [Lawrence]</h3>

<dl>
<dt>Sections:</dt>
<dd>29.6/4</dd>

<dt>Comment:</dt>
<dd>The definition of the default constructor needs exposition.</dd>

<dt>Proposal:</dt>
<dd>Add a new paragraph:
A::A() = default; Effects:
Leaves the atomic object in an uninitialized state.
[Note: These semantics ensure compatiblity with
C. --end note]
</dd>
</dl>

<dl>
<dt>Number</dt>
<dd>US 171</dd>

<dt>Sections:</dt>
<dd>29.6/6</dd>

<dt>Comment:</dt>
<dd>The atomic_init definition "Non-atomically assigns the value" is not
quite correct, as the atomic_init purpose is intialization.</dd>

<dt>Proposal:</dt>
<dd>Change "Non-atomically assigns the value desired to *object."
with "Initializes *object with value desired".
Add the note: "[Note: This
function should only be applied to objects that have been default
constructed. These semantics ensure compatibility with C. --end note]"</dd>
</dl>

<h4>Discussion</h4>

<p>Adopt as recommended, but with more clarity.</p>

<h4>Resolution</h4>

<p>After 29.6 [atomics.types.operations] paragraph 4,
add a new function description as follows.</p>

<blockquote>
<dl>
<dt><code>A::A() = default;</code></dt>
<dd><i>Effects:</i>
Leaves the atomic object in an uninitialized state.
[<i>Note:</i> 
These semantics ensure compatiblity with C.
&mdash;<i>end note</i>]
</dl>
</blockquote>

<p>Edit 29.6 [atomics.types.operations] paragraph 7 as follows,
and then move it to just after the paragraph inserted above.</p>

<blockquote><p>
<p>
<i>Effects:</i>
<del>
Non-atomically assigns the value desired to <code>*object</code>.
</del>
<ins>
Initializes *object with value desired.
This function shall only be applied to objects
that have been default constructed,
and then only once.
[<i>Note:</i>
These semantics ensure compatibility with C.
&mdash;<i>end note</i>]
Initialization shall happen before (1.10)
other operations on the object.
[<i>Note:</i>
</ins>
Concurrent access from another thread,
even via an atomic operation,
constitutes a data race.
<ins>
&mdash;<i>end note</i>]
</ins>
</p>
</blockquote>

<h3>US 38: Generalized Infinite Loops [Clark]</h3>

<dl>
<dt>Sections:</dt>
<dd>1.10p16, 6.5p5</dd>

<dt>Comment:</dt>
<dd>
The statement that certain infinite loops may be assumed to
terminate should also apply to go-to loops and possibly infinite
recursion. We expect that compiler analyses that would take
advantage of this can often no longer identify the origin of
such a loop.
</dd>

<dt>Proposal:</dt>
<dd>
<p>Insert new paragraph following 1.10p16:</p>
<blockquote>
<p><ins>The implementation is allowed to assume that any
thread will eventually do one of the following:</ins></p>

<ul>
<li><ins>terminate,</ins></li>
<li><ins>make a call to a library I/O function,</ins></li>
<li><ins>access or modify a volatile object, or</ins></li>
<li><ins>perform a synchronization operation.</ins></li>
</ul>
<p><ins>[ <em>Note:</em>
This is
intended to allow compiler transformations,
such as removal of empty loops, even when termination cannot be proven.
&#8212; <em>end note</em> ]</ins></p>

</blockquote>
<p>Delete paragraph 6.5p5:</p>
<blockquote>
<p><del>A loop that, outside of the <var>for-init-statement</var>
in the case of a <code>for</code> statement,</del></p>
<ul>
<li><del>makes no calls to library I/O functions, and</del></li>
<li><del>does not access or modify volatile objects, and</del></li>

<li><del>performs no synchronization operations (1.10)
or atomic
operations (Clause 29)</del></li>
</ul>
<p><del>may be assumed by the implementation to
terminate. [ <em>Note:</em>
This is
intended to allow compiler transformations,
such as removal of empty loops, even when termination cannot be proven.
&#8212; <em>end note</em> ]
</del></p>
</blockquote>
</dd>

<dt>Resolution:</dt>
<dd>Adopt the proposal.</dd>
</dl>

<h3>GB 8, US 9, US 11: Mutexes versus Locks [Lawrence]</h3>

<dl>
<dt>Sections:</dt>
<dd>1.10/4,7</dd>

<dt>Comment:</dt>
<dd>The text says that the library "provides ... operations on
locks". It should say "operations on mutexes", since it is
the mutexes that provide the synchronization. A lock is
just an abstract concept (though the library types
unique_lock and lock_guard model ownership of locks)
and as such cannot have operations performed on it. This
mistake is carried through in the notes in that paragraph
and in 1.10p7.</dd>

<dt>Proposal:</dt>
<dd>
<p>Change 1.10p4 as follows:</p>
<blockquote>
<p>"The library defines a number of atomic operations (Clause 29) and
operations on mutexes (Clause 30) that are specially identified
as synchronization operations. These operations play a special
role in making assignments in one thread visible to another. A
synchronization operation on one or more memory locations is either
a consume operation, an acquire operation, a release operation, or
both an acquire and release operation. A synchronization operation
without an associated memory location is a fence and can be either
an acquire fence, a release fence, or both an acquire and release
fence. In addition, there are relaxed atomic operations, which are not
synchronization operations, and atomic read-modify-write operations,
which have special characteristics. [ Note: For example, a call
that acquires a lock on a mutex will perform an acquire operation
on the locations comprising the mutex. Correspondingly, a call that
releases the same lock will perform a release operation on those same
locations.  Informally, performing a release operation on A forces
prior side effects on other memory locations to become visible to
other threads that later perform a consume or an acquire operation on
A. "Relaxed" atomic operations are not synchronization operations even
though, like synchronization operations, they cannot contribute to
data races. -- end note ]"
</p>
</blockquote>

<p>Change 1.10p7 as follows:</p>
<blockquote>
<p>"Certain library calls synchronize with other library
calls performed by another thread. In particular,
an atomic operation A that performs a release
operation on an atomic object M synchronizes
with an atomic operation B that performs an
acquire operation on M and reads a value written
by any side effect in the release sequence headed
by A. [ Note: Except in the specified cases,
reading a later value does not necessarily ensure
visibility as described below. Such a requirement
would sometimes interfere with efficient
implementation. -- end note ] [ Note: The
specifications of the synchronization operations
define when one reads the value written by
another. For atomic objects, the definition is clear.
All operations on a given mutex occur in a single
total order. Each lock acquisition "reads the value
written" by the last lock release on the same
mutex. -- end note ]"
</p>
</blockquote>
</dd>
</dl>

<dl>
<dt>Number</dt>
<dd>US 9</dd>

<dt>Sections:</dt>
<dd>1.10/4</dd>

<dt>Comment:</dt>
<dd>The "operations on locks" do not provide synchronization,
as locks are defined in Clause 30.</dd>

<dt>Proposal:</dt>
<dd>Change "operations on locks" to "locking operations".
(Covered by GB 8.)
</dd>
</dl>

<dl>
<dt>Number</dt>
<dd>US 11</dd>

<dt>Sections:</dt>
<dd>1.10/7</dd>

<dt>Comment:</dt>
<dd>There is some confusion between locks and mutexes.</dd>

<dt>Proposal:</dt>
<dd>Change "lock" when used as a noun to "mutex".
(Covered by GB 8.)</dd>
</dl>

<h4>Discussion</h4>

<p>Adopt the wording of GB 8,
but with additional use of "mutex" for clarity.</p>

<h4>Resolution</h4>

<p>Edit 1.10 [intro.multithread] paragraph 4 as follows.</p>

<blockquote>
<p>The library defines a number of atomic operations (Clause 29)
and operations on mutexes (Clause 30)
that are specially identified as synchronization operations.
These operations play a special role
in making assignments in one thread visible to another.
A synchronization operation on one or more memory locations
is either a consume operation, an acquire operation, a release operation,
or both an acquire and release operation.
A synchronization operation without an associated memory location
is a fence and
can be either an acquire fence, a release fence,
or both an acquire and release fence.
In addition, there are relaxed atomic operations,
which are not synchronization operations,
and atomic read-modify-write operations,
which have special characteristics.
[<i>Note:</i>
For example, a call that acquires a lock <ins>on a mutex</ins>
will perform an acquire operation on the locations comprising the mutex.
Correspondingly, a call that releases the same lock
will perform a release operation on those same locations.
Informally, performing a release operation on <var>A</var>
forces prior side effects on other memory locations
to become visible to other threads
that later perform a consume or an acquire operation on <var>A</var>.
"Relaxed" atomic operations are not synchronization operations
even though, like synchronization operations,
they cannot contribute to data races.
&mdash;<i>end note</i>]
</p>
</blockquote>

<p>Edit 1.10 [intro.multithread] paragraph 7 as follows.</p>

<blockquote>
<p>Certain library calls <dfn>synchronize with</dfn>
other library calls performed by another thread.
In particular, an atomic operation <var>A</var>
that performs a release operation on an atomic object <var>M</var>
synchronizes with an atomic operation <var>B</var>
that performs an acquire operation on <var>M</var>
and reads a value written by any side effect
in the release sequence headed by <var>A</var>.
[<i>Note:</i>
Except in the specified cases,
reading a later value does not necessarily ensure visibility
as described below.
Such a requirement would sometimes interfere with efficient implementation.
&mdash;<i>end note</i>]
[<i>Note:</i>
The specifications of the synchronization operations
define when one reads the value written by another.
For atomic objects, the definition is clear.
All operations on a given <del>lock</del> <ins>mutex</ins>
occur in a single total order.
Each <ins>mutex</ins> lock acquisition "reads the value written"
by the last <ins>mutex</ins> lock release on the same mutex.
&mdash;<i>end note</i>]
</p>
</blockquote>

<h3>GB 15: Control Dependencies and Dependency Ordering [Paul]</h3>

<dl>
<dt>Number</dt>
<dd>GB 15</dd>

<dt>Sections:</dt>
<dd>N/A</dd>

<dt>Comment:</dt>
<dd>&ldquo;Given the examples of compilers interchanging data and control
dependencies, and that control dependencies are respected on Power/ARM
for load->store (and on Power for load->load with a relatively cheap
isync), we're not sure why carries-a-dependency-to does not include
control dependencies between atomics.&rdquo;
</dd>
</dl>

<h4>Discussion</h4>

<p>At the time that the memory model was formulated, there was
considerable uncertainty as to what architectures respect control
dependencies, and to what extent.
It appears that this uncertainty is being cleared up, and our hope
is that it will be ripe for standardization in a later TR.
</p>

<h4>Resolution</h4>

<p>Not a Defect
</p>


<h3>CH 2: Observable Behavior of Atomics [Lawrence]</h3>

<dl>
<dt>Sections:</dt>
<dd>1.9 and 1.10</dd>

<dt>Comment:</dt>
<dd>It's not clear whether relaxed atomic operations
are observable behaviour.</dd>

<dt>Proposal:</dt>
<dd>Clarify it.</dd>
</dl>

<h4>Discussion</h4>

<p>Normatively, the behavior is well-defined.
We add a clarifying note.</p>

<h4>Resolution</h4>

<p>Edit paragraph 8 as follows.</p>

<blockquote>
<p>The least requirements on a conforming implementation are:</p>

<ul>
<li>Access to volatile objects
are evaluated strictly according to the rules of the abstract machine.
<ins>[<i>Note:</i> Atomic objects may also be either volatile or non-volatile.
&mdash;<i>end note</i>]</ins></li>

<li>At program termination,
all data written into files
shall be identical to one of the possible results
that execution of the program according to the abstract semantics
would have produced.</li>

<li>The input and output dynamics of interactive devices
shall take place in such a fashion that prompting output
is actually delivered before a program waits for input.
What constitutes an interactive device is implementation-defined.</li>
</ul>

<p>These collectively are referred to as
the observable behavior of the program.
[<i>Note:</i> more stringent correspondences
between abstract and actual semantics
may be defined by each implementation. &mdash;<i>end note</i>]</p>
</blockquote>



<h2>Controversial Issues Discussed in June Email Thread</h2>

<h3>CA 17: 1.10p12 phrasing</h3>

<p>The last note of 1.10p12 refers to data races &ldquo;as defined here&rdquo;.
Batty et al. recommend that this change to &ldquo;as defined below&rdquo;.
Given that data races are defined in 1.10p14, it is easy to argue for
&ldquo;below&rdquo;, however, it is equally easy to argue that the scope
of &ldquo;here&rdquo; is the whole of 1.10.
</p>

<h2>TBD National-Body Comments</h2>

<p>Later revisions of this paper will also include the following
national-body comments:
</p>

<ol>
<li>        CA 18: &ldquo;Non-unique visible sequences of side effects and
        happens-before orderings&rdquo;.  TBD Benjamin Kosnik and Michael Wong.
<li>        CA 19: &ldquo;Alternative definition of the value read by an
        atomic operation&rdquo;.  TBD Benjamin Kosnik and Michael Wong.
<li>        CA 20: &ldquo;Reading from last element in a vsse?&rdquo;
        TBD Benjamin Kosnik and Michael Wong.
<li>        GB 11: covering relationship of <code>memory_order_consume</code>
        and modification order.
        (Item E in Appendix 1 of
        <a href="http://wiki.dinkumware.com/twiki/pub/Wg21rapperswil/Documents/N3102_FCD14882_SC22_BallotComments_All.pdf">ballot comments</a>.)
        TBD Benjamin Kosnik and Michael Wong.
<li>        GB 12: covering whether certain memory-ordering cycles are permitted.
        (Item F in Appendix 1 of
        <a href="http://wiki.dinkumware.com/twiki/pub/Wg21rapperswil/Documents/N3102_FCD14882_SC22_BallotComments_All.pdf">ballot comments</a>.)
        TBD Benjamin Kosnik and Michael Wong.
</ol>

<h2>Wording</h2>

<h3>1.10.p13</h3>

<p>National-body comments:
CA 11, CA 13, CA 18, CA 19, CA 20, GB 11, GB 12
</p>

<p>Changes:
</p>

<blockquote>
        <p>The visible sequence of side effects on an atomic object
        <var>M</var>, with respect to a value computation <var>B</var>
        of <var>M</var>, is a maximal contiguous sub-sequence of side
        effects in the modification order of <var>M</var>, where the
        first side effect is visible with respect to <var>B</var>, and
        for every <del>subsequent</del> side effect, it is not the case
        that <var>B</var> happens before it.
        The value of an atomic object <var>M</var>, as determined
        by evaluation <var>B</var>, shall be the value stored by some
        operation in the a visible sequence of <var>M</var> with respect
        to <var>B</var>.
        <ins>[<em>Note</em>: It can be shown that the visible sequence of
        side effects of a value computation is unique given the coherence
        requirements below.  &#8212; <em>end note</em>]</ins>
        <del>Furthermore, if a value computation <var>A</var> of an
        atomic object <var>M</var> happens before a value computation
        <var>B</var> of <var>M</var>, and the value computed by
        <var>A</var> corresponds to the value stored by side effect
        <var>X</var>, then the value computed by <var>B</var> shall
        either equal the value computed by <var>A</var>, or be the
        value stored by side effect <var>Y</var>, where <var>Y</var>
        follows <var>X</var> in the modification order of <var>M</var>.
        [ <em>Note</em>: This effectively disallows compiler reordering
        of atomic operations to a single object, even if both operations
        are &ldquo;relaxed&rdquo; loads. This effectively makes the
        &ldquo;cache coherence&rdquo; guarantee provided by most hardware
        available to C++ atomic operations. &#8212; <em>end note</em>]
        [ <em>Note</em>: The visible sequence depends on the
        &ldquo;happens before&rdquo; relation, which depends on the values
        observed by loads of atomics, which we are restricting here. The
        intended reading is that there must exist an association of atomic
        loads with modifications they observe that, together with suitably
        chosen modification orders and the &ldquo;happens before&rdquo;
        relation derived as described above, satisfy the resulting
        constraints as imposed here. &#8212; <em>end note</em>]</del>
        </p>
</blockquote>


<h3>New Paragraphs Following 1.10.p13</h3>

<p>National-body comments:
CA 13, CA 18, CA 19, CA 20, GB 11, GB 12
</p>

<p>Changes:
</p>

<blockquote>
        <p><ins>If an operation <var>A</var> that modifies <var>M</var>
        happens before an operation <var>B</var> that modifies
        <var>M</var>, then <var>A</var> shall be earlier than <var>B</var>
        in the modification order of <var>M</var>.
        [ <em>Note</em>: This requirement is knows as <em>write-write
        coherence.</em> &#8212; <em>end note</em>]</ins>
        </p>
</blockquote>

<blockquote>
        <p><ins>If a value computation <var>A</var> of an atomic object
        <var>M</var> happens before a value computation <var>B</var>
        of <var>M</var>, and <var>A</var> takes its value from the side
        effect <var>X</var>, then the value computed by <var>B</var>
        shall either be the value stored by <var>X</var>, or the value
        stored by a side effect <var>Y</var>, where <var>Y</var> follows
        <var>X</var>  in the modification order of <var>M</var>.
        [ <em>Note</em>: This requirement is knows as <em>read-read
        coherence.</em> &#8212; <em>end note</em>]</ins>
        </p>
</blockquote>

<blockquote>
        <p><ins>If a value computation <var>A</var> of an atomic
        object <var>M</var> happens before an operation <var>B</var>
        that modifies <var>M</var> then <var>A</var> shall either take
        its value from some side effect <var>X</var>, where <var>X</var>
        precedes <var>B</var> in the modification order of <var>M</var>,
        or shall take its value from the initial value of <var>M</var>.
        [ <em>Note</em>: This requirement is knows as <em>read-write
        coherence.</em> &#8212; <em>end note</em>]</ins>
        </p>
</blockquote>

<blockquote>
        <p><ins>If a side effect <var>X</var> that stores a value to an
        atomic object <var>M</var> happens-before a value computation
        <var>B</var> of <var>M</var>, then the evaluation <var>B</var>
        shall take its value from <var>X</var> or from a side effect
        <var>Y</var> that follows <var>X</var> in the modification order
        of <var>M</var>.
        [ <em>Note</em>: This requirement is knows as <em>write-read
        coherence.</em> &#8212; <em>end note</em>]</ins>
        </p>
</blockquote>

<blockquote>
        <p><ins>[ <em>Note</em>: 
        These four coherence requirements effectively disallow compiler
        reordering of atomic operations to a single object, even if
        both operations are &ldquo;relaxed&rdquo; loads. This effectively makes
        the &ldquo;cache coherence&rdquo; guarantee provided by most hardware
        available to C++ atomic operations.
        &#8212; <em>end note</em>]</ins>
        </p>
</blockquote>

<blockquote>
        <p><ins>[ <em>Note</em>: 
        The visible sequence depends on the &ldquo;happens before&rdquo; relation,
        which depends on the values observed by loads of atomics, which
        we are restricting here. The intended reading of these four
        coherence requirements is that there must
        exist an association of atomic loads with modifications they
        observe that, together with suitably chosen modification orders
        and the &ldquo;happens before&rdquo; relation derived as described above,
        satisfy the resulting constraints as imposed here.
        &#8212; <em>end note</em>]</ins>
        </p>
</blockquote>


</body></html>