C++ 原子操作

 

先打破一个认知

在学习编程语言的时候，通常都会讲到代码的几种执行方式：顺序、选择、分支；其中顺序执行的代码会按照编写顺序一行一行的执行。

然鹅，由于各种原因，代码的执行顺序并不一定是“顺序”的，而是可能会被优化为其他顺序。

在同一个线程里，如果两条语句没有依赖关系，那么其执行顺序不可预测；但是有依赖关系的代码是串行执行的。

为什么会有这样的情况？ 有如下几类原因：

（1）编译器优化

编译器会假设程序是单线程执行

// 源代码
x = 1;
y = 2;
x = 3;

上面代码可以看出来，x没有被依赖，所以经过编译器优化的代码可能如下

// 经过编译器优化的代码
y = 2;
x = 3;

 

（2）处理器优化

现代处理器是按照流水线的方式工作的，CPU会允许指令乱序执行，以免因指令等待资源而导致CPU处于闲置状态。

 

（3）存储系统

现代处理器的架构大致如下

 

 

三级缓存（L1、L2、L3）是什么？

以近代CPU的视角来说，三级缓存（包括L1一级缓存、L2二级缓存、L3三级缓存）都是集成在CPU内的缓存，它们的作用都是作为CPU与主内存之间的高速数据缓冲区，L1最靠近CPU核心；L2其次；L3再次。运行速度方面：L1最快、L2次快、L3最慢；容量大小方面：L1最小、L2较大、L3最大。CPU会先在最快的L1中寻找需要的数据，找不到再去找次快的L2，还找不到再去找L3，L3都没有那就只能去内存找了。

 

（4）On-Chip Network（片上网络）

略

 

如何应对？

（1）乱序执行不可避免

（2）线程私有变量不受影响，共享变量会受影响

（3）解决方法：原子变量或者加锁

 

C++11承诺：如果程序没有竞争（race），那么程序运行起来就好像顺序一致性（SC for Data-Race-Free programs, SC-DRF）；

什么是竞争？即多现场访问同一个变量时至少有一个现场有写操作。

 

看下如下两种情况是否存在竞争？

// thread1
foo()
{
    return s.c;
}

// thread2
foo()
{
    return s.d;
}

// case1
struct s{char c; char d;};
// case2
struct s{int c:9; int d:7;}

// 两个线程一个访问s.c，另一个访问s.d，其中在两种s定义的情况下是否存在竞争？

答案是case1不存在竞争，case2存在竞争，因为对计算机来说一个最小单位仍然是字节，而为多少多少bit，所以case2里的结构体s的两个成员在访问时会存在竞争。

 

 

acquire / release语义

如下伪代码，其最终执行顺序可能会是怎么样的呢？

//
code1
acquire 
code2
release
code3

直接上结论：

（1）code1可以下移，但是不能超过release

（2）code3可以上移，但是不能超过acqurie

 

 

 std::atomic<> 语义

C++11提供的原子变量模板，其保证如下：

（1）原子性：读写都是原子，不会读到部分结果或中间结果

（2）顺序性：所有针对原子变量的读写都会按顺序执行，实现顺序一致性（Sequence Consistency， SC）