C++中的原子操作
文章目录
- C++中的原子操作
- atomic_flag
- `atomic
` - `atomic
` - 总结
- reference
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C++的原子操作也是为了解决多线程编程中同步的问题，它保证在执行原子操作时不会被其他线程干扰。原子操作分为原子赋值和原子递增/递减操作。
原子赋值操作一般用于初始化一个共享资源，确保在多个线程同时访问时，不会出现多个线程同时修改同一个资源的情况。
原子递增/递减操作一般用于计数器，确保在多个线程同时访问时，不会出现多个线程同时修改同一个计数器的情况。
atomic_flag
std::atomic_flag是C++中的一个原子布尔类型，用于实现原子锁操作。默认情况下，它是清除状态（false）。可以使用ATOMIC_FLAG_INIT宏进行初始化。std::atomic_flag类型的对象必须由宏ATOMIC_FLAG_INIT初始化，它把标志初始化为置零状态：std::atomic_flag f=ATOMIC_FLAG_INIT。std::atomic_flag对象永远以置零状态开始，别无他选。
std::atomic_flag对象只能执行3种操作：销毁、置零、读取原有的值并设置标志成立。这分别对应于析构函数、成员函数clear()、成员函数test_and_set()。
clear()是存储操作，因此无法采用std::memory_order_acquire或std::memory_order_acq_rel内存次序，test_and_set()是“读-改-写”操作，因此能采用任何内存次序，对于上面两种操作，默认的内存序都是最严格的std::memory_order_seq_cst。
使用atomic_flag的一个示例：
#include <iostream>
#include <atomic>
#include <thread>
std::atomic_flag flag = ATOMIC_FLAG_INIT;
void taskFunc(int tid)
{
while(flag.test_and_set(std::memory_order_acquire)) { } // 相当于上锁
std::cout << "Thread " << tid << " acquired the lock" << std::endl;
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
std::cout << "Thread " << tid << " released the lock" << std::endl;
flag.clear(std::memory_order_release); // 相当于解锁
}
int main(int argc, char **argv)
{
std::thread t1(taskFunc, 1);
std::thread t2(taskFunc, 2);
t1.join();
t2.join();
return 0;
}
通过上面的例子，很容易发现可以借助atomic_flag实现自旋锁：
class SpinLockMutex
{
std::atomic_flag flag_{ATOMIC_FLAG_INIT};
public:
void lock()
{
while (flag_.test_and_set(std::memory_order_acquire))
{
/* spin */
}
}
void unlock()
{
flag_.clear(std::memory_order_release);
}
};
借用实现的自旋锁，重新实现的代码为：
#include <iostream>
#include <atomic>
#include <thread>
#include <mutex>
SpinLockMutex sl_mutex;
void taskFunc(int tid)
{
sl_mutex.lock();
std::cout << "Thread " << tid << " acquired the lock" << std::endl;
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
std::cout << "Thread " << tid << " released the lock" << std::endl;
sl_mutex.unlock();
}
int main(int argc, char **argv)
{
std::thread t1(taskFunc, 1);
std::thread t2(taskFunc, 2);
t1.join();
t2.join();
return 0;
}
还可以结合std::lock_guard<SpinLockMutex> lock(sl_mutex);使用。
atomic<bool>
std::atomic_flag操作严格受限，甚至不支持单纯的无修改查值操作，无法用作普通的布尔标志，因此最好还是使用std::atomic<bool>。
原子类型的一个常见模式，它们所支持的赋值操作符不返回引用，而是按值返回（该值属于对应的非原子类型）。
通过store()，atomic<bool>也能设定内存次序语义。
相较于std::atomic_flag，std::atomic <bool>提供了更通用的成员函数exchange()以代替test_and_set()，它获取原有的值，还让我们自行选定新值作为替换。
std::atomic<bool>还支持单纯的读取（没有伴随的修改行为）：隐式做法是将实例转换为普通布尔值，显式做法则是调用load()。
总结一下就是:
-
store()是存储操作， -
load()是载入操作 -
exchange()是“读-改-写”操作
使用atomic<bool>的一个示例：
#include <iostream>
#include <atomic>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <functional>
class Task {
public:
Task() {
task_runing_.store(true);
std::function<void(int)> f = std::bind(&Task::run, this, std::placeholders::_1);
task_thread_ = std::thread(f, 1);
}
~Task() {
task_thread_.join();
task_runing_.store(false);
}
void stop()
{
task_runing_.store(false);
}
void restart()
{
task_runing_.store(true);
}
void run(int id){
std::cout << "Running " << task_runing_.load() << std::endl;
while (task_runing_.load())
{
std::cout << "Task " << id << " is running..." << std::endl;
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000));
}
}
private:
std::atomic<bool> task_runing_;
std::thread task_thread_;
};
int main(int argc, char **argv)
{
auto t11 = Task();
std::cout << "t11 start" << std::endl;
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(2000));
t11.stop();
std::cout << "t11 stop" << std::endl;
t11.restart();
std::cout << "t11 restart" << std::endl;
return 0;
}
atomic<T*>
指向类型T的指针的原子化形式为std::atomic<T*>，类似于原子化的布尔类型std::atomic<bool>，二者接口相同，但操作目标从布尔类型变换成相应的指针类型。
std::atomic<T*>和std::atomic<bool>一样，也不能拷贝复制或拷贝赋值。
std::atomic<T*>具备成员函数：
is_lock_free()load()store()exchange()compare_exchange_weak()compare_exchange_strong()
除此之外，std::atomic<T*>提供的新操作是算术形式的指针运算：
- **fetch_add()**对象中存储的地址进行原子化加
- **fetch_sub()**对象中存储的地址进行原子化减
- 该原子类型还具有包装成重载运算符的
+=和−=，以及++和−−的前后缀版本
实例
#include <iostream>
#include <atomic>
#include <cassert>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <functional>
class ParalLink
{
public:
ParalLink() {}
~ParalLink() {
Node* current = m_head.load(std::memory_order_relaxed);
while (current) {
Node* next = current->next;
delete current;
current = next;
}
}
void insert(int value) {
Node* newNode = new Node{value, nullptr};
newNode->next = m_head.load(std::memory_order_relaxed);
while (!m_head.compare_exchange_weak(newNode->next, newNode, std::memory_order_release)) {
}
}
void printList() {
for (auto& t : m_threads) {
t.join();
}
Node* current = m_head.load(std::memory_order_relaxed);
while (current) {
std::cout << current->data << " ";
current = current->next;
}
std::cout << std::endl;
}
void taskFunc(int n)
{
for (int i = 0; i < n; ++i) {
insert(i*n);
}
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));
}
void build() {
std::function<void(int)> f = std::bind(&ParalLink::taskFunc, this, std::placeholders::_1);
for(int i = 1; i < 4; i++) {
m_threads.emplace_back(f, 4);
}
}
private:
std::atomic<Node*> m_head{nullptr};
std::vector<std::thread> m_threads;
};
int main(int argc, char** argv)
{
auto pt = ParalLink();
pt.build();
pt.printList();
return 0;
}
上面的代码使用了atomic<T*>类型的原子模板，这样保护的是Node*类型的指针，而不是Node类型的结构体。如此，对Node*类型的指针m_head的操作就是原子化的了。假如，多个线程通过对指针变量的修改，导致同时发生多线程同时写同块内存的操作，程序会发生什么样的结果呢？想必依然会发生未定义的错误。
总结
std::atomic<>是一个模板，除了前面介绍的bool外还支持int/unsigned short/char等多种类型特化。
原子操作在多线程编程中是非常有用的，可以帮助我们避免很多问题，但是原子操作也有一定的代价，它可能会影响程序的性能。所以，在程序中使用原子操作时，需要根据实际情况，权衡性能与并发性的关系。
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reference
1.https://en.cppreference.com/w/cpp/atomic/atomic