1、標(biāo)準(zhǔn)原子類型

標(biāo)準(zhǔn)原子類型的定義位于頭文件<atomic>內(nèi)。原子操作的關(guān)鍵用途是取代需要互斥的同步方式，但假設(shè)原子操作本身也在內(nèi)部使用了互斥，就很可能無法達(dá)到期望的性能提升。有三種方法來判斷一個原子類型是否屬于無鎖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

• 所有標(biāo)準(zhǔn)原子類型（std::atomic_flag除外，因?yàn)樗仨毑扇o鎖操作）都具有成員函數(shù)is_lock_free()，若它返回true則表示給定類型上的操作是能由原子指令直接實(shí)現(xiàn)的，若返回false則表示需要借助編譯器和程序庫的內(nèi)部鎖來實(shí)現(xiàn)。
• C++程序庫提供了一組宏：ATOMIC_BOOL_LOCK_FREE、ATOMIC_CHAR_LOCK_FREE、ATOMIC_CHAR16_T_LOCK_FREE、ATOMIC_CHAR32_T_LOCK_FREE、ATOMIC_WCHAR_T_LOCK_FREE、ATOMIC_SHORT_LOCK_FREE、ATOMIC_INT_LOCK_FREE、ATOMIC_LONG_LOCK_FREE、ATOMIC_LLONG_LOCK_FREE、ATOMIC_POINTER_LOCK_FREE。宏取值為0表示對應(yīng)的std::atomic<>特化類型從來都不屬于無鎖結(jié)構(gòu)，取值為1表示運(yùn)行時才能確定是否屬于無鎖結(jié)構(gòu)，取值為2表示它一直屬于無鎖結(jié)構(gòu)。
• 從C++17開始，全部原子類型都含有一個靜態(tài)常量表達(dá)式成員變量X::is_always_lock_free，功能與上述那些宏相同，用于在編譯期判定一個原子類型是否屬于無鎖結(jié)構(gòu)。當(dāng)且僅當(dāng)在所有支持運(yùn)行該程序的硬件上，原子類型X全都以無鎖結(jié)構(gòu)形式實(shí)現(xiàn)，該成員變量的值才為true。

除了std::atomic_flag，其余原子類型都是通過模板std::atomic<>特化得到的。由內(nèi)建類型特化得到的原子類型，其接口反映出自身性質(zhì)，例如C++標(biāo)準(zhǔn)沒有為普通指針定義位運(yùn)算（如&=），所以不存在專為原子化指針而定義的位運(yùn)算。一些內(nèi)建類型的std::atomic<>特化如下表：

原子類型對象無法復(fù)制，也無法賦值，但可以接受內(nèi)建類型賦值，也支持隱式地轉(zhuǎn)換成內(nèi)建類型。需要注意的是：按照C++慣例，賦值操作符通常返回一個引用，指向接受賦值的目標(biāo)對象；而原子類型的賦值操作符不返回引用，而是按值返回（該值屬于對應(yīng)的非原子類型）。

2、原子操作

各種原子類型上可以執(zhí)行的操作如下表所示：

2.1、操作std::atomic_flag

std::atomic_flag是最簡單的標(biāo)準(zhǔn)原子類型，表示一個布爾標(biāo)志，它只有兩種狀態(tài)：成立或置零。std::atomic_flag對象必須由宏ATOMIC_FLAG_INIT初始化，它把標(biāo)志初始化為置零狀態(tài)，例如：std::atomic_flag f = ATOMIC_FLAG_INIT;。如果不進(jìn)行初始化，則std::atomic_flag對象的狀態(tài)是未指定的。std::atomic_flag有兩個成員函數(shù)：

• clear()：將標(biāo)志清零。
• test_and_set()：獲取舊值并設(shè)置標(biāo)志成立。

使用std::atomic_flag實(shí)現(xiàn)一個自旋鎖的示例如下：

class spinlock_mutex
{
    std::atomic_flag flag;
public:
    spinlock_mutex() : flag(ATOMIC_FLAG_INIT) {}
    void lock()
    {
        while (flag.test_and_set());
    }
    void unlock()
    {
        flag.clear();
    }
};

2.2、操作std::atomic<bool>

相比于std::atomic_flag，std::atomic<bool>是一個功能更齊全的布爾標(biāo)志。盡管它也無法拷貝構(gòu)造或拷貝賦值，但還是能依據(jù)非原子布爾量創(chuàng)建其對象，也能接受非原子布爾量的賦值：

std::atomic<bool> b(true);
b = false;

store()是存儲操作，可以向原子對象寫入值。load()是載入操作，可以讀取原子對象的值。exchange()是“讀-改-寫”操作，它獲取原有的值，然后用自行選定的新值作為替換。

std::atomic<bool> b;
bool x = b.load();
b.store(true);
x = b.exchange(false);

compare_exchange_weak()與compare_exchange_strong()被稱為“比較-交換”操作，它們的作用是：使用者給定一個期望值，原子變量將它和自身的值進(jìn)行比較，如果相等，就存入另一既定的值；否則，更新期望值所屬的變量，向它賦予原子變量的值。“比較-交換”操作返回布爾類型，如果完成了保存動作（前提是兩值相等），則返回true，否則返回false。對于compare_exchange_weak()，即使原子變量的值等于期望值，保存動作還是有可能失敗，在這種情形下，原子變量維持原值不變，函數(shù)返回false。原子化的“比較-交換”必須由一條指令單獨(dú)完成，而某些處理器沒有這種指令，無從保證該操作按原子化方式完成。要實(shí)現(xiàn)“比較-交換”，負(fù)責(zé)的線程則須改為連續(xù)運(yùn)行一系列指令，但在這些計(jì)算機(jī)上，只要出現(xiàn)線程數(shù)量多于處理器數(shù)量的情形，線程就有可能執(zhí)行到中途因系統(tǒng)調(diào)度而切出，導(dǎo)致操作失敗。這種敗因不是變量值本身存在問題，而是函數(shù)執(zhí)行時機(jī)不對，所以compare_exchange_weak()往往必須配合循環(huán)使用。

bool expected = false;
extern atomic<bool> b;
while(!b.compare_exchange_weak(expected,true) && !expected);

2.3、操作std::atomic<T*>

除了std::atomic<bool>所支持的操作外，std::atomic<T*>還支持算術(shù)形式的指針運(yùn)算。fetch_add()和fetch_sub()分別就對象中存儲的地址進(jìn)行原子化加減，然后返回原來的地址。另外，該原子類型還具有包裝成重載運(yùn)算符的+=和-=，以及++和--的前后綴版本，這些運(yùn)算符作用在原子類型之上，效果與作用在內(nèi)建類型上一樣。

class Foo {};
Foo some_array[5];
std::atomic<Foo*> p(some_array);
Foo* x = p.fetch_add(2);
assert(x == some_array);
assert(p.load() == &some_array[2]);
x = (p -= 1);
assert(x == &some_array[1]);
assert(p.load() == &some_array[1]);

2.4、操作標(biāo)準(zhǔn)整數(shù)原子類型

在std::atomic<int>這樣的整數(shù)原子類型上，除了std::atomic<T*>所支持的操作外，還支持fetch_and()、fetch_or()、fetch_xor()操作，也支持對應(yīng)的&=、|=、^=復(fù)合賦值形式。

2.5、泛化的std::atomic<>類模板

除了前文的標(biāo)準(zhǔn)原子類型，使用者還能利用泛化模板，依據(jù)自定義類型創(chuàng)建其它原子類型。然而，對于某個自定義的類型UDT，必須要滿足一定條件才能具現(xiàn)化出std::atomic<UDT>：

• 必須具有平實(shí)拷貝賦值運(yùn)算符（平直、簡單的原始內(nèi)存賦值及其等效操作）。若自定義類型具有基類或非靜態(tài)數(shù)據(jù)成員，則它們同樣必須具備平實(shí)拷貝賦值運(yùn)算符。
• 不得含有虛函數(shù)，也不可以從虛基類派生得出。
• 必須由編譯器代其隱式生成拷貝賦值運(yùn)算符。

由于以上限制，賦值操作不涉及任何用戶編寫的代碼，因此編譯器可以借用memcpy()或采取與之等效的行為完成它。另外值得注意的是，“比較-交換”操作采取的是逐位比較運(yùn)算，效果等同于直接使用memcmp()函數(shù)。

3、內(nèi)存順序

編譯器優(yōu)化代碼時可能會進(jìn)行指令重排，而且CPU執(zhí)行指令時也可能會亂序執(zhí)行，所以代碼的執(zhí)行順序不一定和書寫順序一致。例如下面的代碼可能會按照如表所示的順序執(zhí)行，從而引發(fā)斷言錯誤?？梢钥闯?，指令重排在單線程環(huán)境下不會造成邏輯錯誤，但在多線程環(huán)境下可能會造成邏輯錯誤。

int a = 0;
bool flag = false;
void func1()
{
    a = 1;
    flag = true;
}
void func2()
{
    if (flag)
    {
        assert(a == 1);
    }
}
std::thread t1(func1);
std::thread t2(func2);
t1.join();
t2.join();

內(nèi)存順序的作用，本質(zhì)上是要限制單個線程中的指令順序，從而解決多線程環(huán)境下可能出現(xiàn)的問題。原子類型上的操作服從6種內(nèi)存順序，在不同的CPU架構(gòu)上，這幾種內(nèi)存模型也許會有不同的運(yùn)行開銷。

enum memory_order {
    memory_order_relaxed,
    memory_order_consume,
    memory_order_acquire,
    memory_order_release,
    memory_order_acq_rel,
    memory_order_seq_cst
};

• memory_order_seq_cst

  這是所有原子操作的內(nèi)存順序參數(shù)的默認(rèn)值，語義上要求底層提供順序一致性模型，不存在任何重排，可以解決一切問題，但是效率最低。

• memory_order_release / memory_order_acquire / memory_order_consume

  release操作可以阻止這個調(diào)用之前的讀寫操作被重排到后面去；acquire操作則可以保證這個調(diào)用之后的讀寫操作不會重排到前面去；consume操作比acquire操作寬松一些，它只保證這個調(diào)用之后的對原子變量有依賴的操作不會被重排到前面去。release與acquire/consume操作需要在同一個原子對象上配對使用，例如：

  std::atomic<int> a;
  std::atomic<bool> flag;
  void func1()
  {
      a = 1;
      flag.store(true, memory_order_release);
  }
  void func2()
  {
      if (flag.load(memory_order_acquire))
      {
          assert(a == 1);
      }
  }
  

• memory_order_acq_rel

  兼具acquire和release的特性。

• memory_order_relaxed

  只保證原子類型的成員函數(shù)操作本身是不可分割的，但是對于順序性不做任何保證。

三類操作支持的內(nèi)存順序如下表所示：文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-695019.html

到了這里，關(guān)于《C++并發(fā)編程實(shí)戰(zhàn)》讀書筆記(4)：原子變量的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！