C++11 原子操作（atomic operation）

所谓的原子操作，取的就是“原子是最小的、不可分割的最小个体”的意义，它表示在多个线程访问同一个全局资源的时候，能够确保所有其他的线程都不在同一时间内访问相同的资源。也就是他确保了在同一时刻只有唯一的线程对这个资源进行访问。这有点类似互斥对象对共享资源的访问的保护，但是原子操作更加接近底层，因而效率更高。

在以往的C++标准中并没有对原子操作进行规定，我们往往是使用汇编语言，或者是借助第三方的线程库，例如intel的pthread来实现。在新标准C++11，引入了原子操作的概念，并通过这个新的头文件提供了多种原子操作数据类型，例如，atomic_bool,atomic_int等等，如果我们在多个线程中对这些类型的共享资源进行操作，编译器将保证这些操作都是原子性的，也就是说，确保任意时刻只有一个线程对这个资源进行访问，编译器将保证，多个线程访问这个共享资源的正确性。从而避免了锁的使用，提高了效率。

我们还是来看一个实际的例子。假若我们要设计一个广告点击统计程序，在服务器程序中，使用多个线程模拟多个用户对广告的点击：

#include <boost/thread/thread.hpp>
#include <atomic> 
#include <iostream>
#include <time.h>

using namespace std;
// 全局的结果数据 
long total = 0; 

// 点击函数
void click()
{
    for(int i=0; i<1000000;++i)
    {
        // 对全局数据进行无锁访问 
        total ++;     
    }
}
 
 
int main(int argc, char* argv[])
{
    // 计时开始
    clock_t start = clock();
    // 创建100个线程模拟点击统计
    boost::thread_group threads;
    for(int i=0; i<100;++i) 
    {
        threads.create_thread(click);
    }

    threads.join_all();
    // 计时结束
    clock_t finish = clock();
    // 输出结果
    cout<<"result:"<<total<<endl;
    cout<<"duration:"<<finish -start<<"ms"<<endl;
    return 0;
}

 

从执行的结果来看，这样的方法虽然非常快，但是结果不正确

E:\SourceCode\MinGW>thread.exe
result:87228026
duration:528ms

 

很自然地，我们会想到使用互斥对象来对全局共享资源的访问进行保护，于是有了下面的实现：

long total = 0;
// 对共享资源进行保护的互斥对象
mutex m;

void click()
{
    for(int i=0; i<1000000;++i)
    {
        // 访问之前，锁定互斥对象
        m.lock();
        total++;
        // 访问完成后，释放互斥对象 
        m.unlock();
    }
}

 

互斥对象的使用，保证了同一时刻只有唯一的一个线程对这个共享进行访问，从执行的结果来看，互斥对象保证了结果的正确性，但是也有非常大的性能损失，从刚才的528ms变成了现在的8431，用了原来时间的10多倍的时间。这个损失够大。

E:\SourceCode\MinGW>thread.exe
result:100000000
duration:8431ms

 

如果是在C++11之前，我们的解决方案也就到此为止了，但是，C++对性能的追求是永无止境的，他总是想尽一切办法榨干CPU的性能。在C++11中，实现了原子操作的数据类型（atomic_bool,atomic_int,atomic_long等等），对于这些原子数据类型的共享资源的访问，无需借助mutex等锁机制，也能够实现对共享资源的正确访问。

// 引入原子数据类型的头文件
#include <atomic> 
 

// 用原子数据类型作为共享资源的数据类型
atomic_long total(0);
//long total = 0;
 
void click()
{
    for(int i=0; i<1000000;++i)
    {
        // 仅仅是数据类型的不同而以，对其的访问形式与普通数据类型的资源并无区别
        total ++;
    }
}

 

我们来看看使用原子数据类型之后的效果如何：

E:\SourceCode\MinGW>thread.exe
result:100000000
duration:2105ms

 

结果正确！耗时只是使用mutex互斥对象的四分之一！也仅仅是不采用任何保护机制的时间的4倍。可以说这是一个非常不错的成绩了。

原子操作的实现跟普通数据类型类似，但是它能够在保证结果正确的前提下，提供比mutex等锁机制更好的性能，如果我们要访问的共享资源可以用原子数据类型表示，那么在多线程程序中使用这种新的等价数据类型，是一个不错的选择。

 

六种原子操作内存顺序

知乎的一位答主讲的比较不错，点此，再加之深究《C++并发编程实战》第五章的内容。

//这里枚举这六种
typedef 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;

 

memory_order_seq_cst ：这个是默认的原子顺序，即按代码怎么写的就是怎么个顺序！

memory_order_relaxed：这个是松散顺序，《C++并发编程实战》第5章 123页举的例子讲的很清楚，鉴于篇幅，我也简单陈述一下，举书本上的例子：

#include <atomic>
#include <thread>
#include <assert.h>

std::atomic<bool> x,y;
std::atomic<int> z;

void write_x_then_y(){
　　x.store(true,std::memory_order_relaxed); #1
　　y.store(true,std::memory_order_relaxed); #2
}

void read_y_then_x(){
　　while(!y.load(std::memory_order_relaxed)); #3
　　if(x.load(std::memory_order_relaxed)) #4
　　　　++z;
}

int main(){
　　x=false;
　　y=false;
　　z=0;
　　std::thread a(write_x_then_y);
　　std::thread b(read_y_then_x);
　　a.join();
　　b.join();
　　assert(z.load()!=0); #5//断言发生，z是可能等于0的
}

 

为什么断言可能发生？意思是z可能为0，x可能为0，这个问题，就是relaxed的锅， 在write_x_then_y线程中，因为#1，#2的store是松散的，在read_y_then_x线程中，也是以松散来读的，x与y没有必然的联系，意思是x.load的时候，可能返回false，编译器或者硬件可随便更改线程中的顺序，所以说慎用使用松散顺序！还有就是这种是理想条件下的，至少x86Cpu目前没有该功能！

memory_order_release，memory_order_acquire：我把这个放在一起，因为这两个是一套的，要搭配使用，举个例子来

#include <atomic>
#include <thread>
#include <assert.h>
std::atomic<bool> x,y;
std::atomic<int> z;


void write_x(){
　　x.store(true,std::memory_order_release);
}


void write_y(){
　　y.store(true,std::memory_order_release);
}


void read_x_then_y(){
　　while(!x.load(std::memory_order_acquire));
　　if(y.load(std::memory_order_acquire))//y为false;
　　　　++z;
}


void read_y_then_x(){
　　while(!y.load(std::memory_order_acquire));
　　if(x.load(std::memory_order_acquire))//x为false;
　　　　++z;
}


int main(){
　　x=false;
　　y=false;
　　z=0;
　　std::thread a(write_x);
　　std::thread b(write_y);
　　std::thread c(read_x_then_y);
　　std::thread d(read_y_then_x);
　　a.join();
　　b.join();
　　c.join();
　　d.join();
　　assert(z.load()!=0);
}

 

z这次会触发，意思是z=0，原因4个线程相互独立，release与acquire是一种同步的搭配，但他们必须配对，如果不配对，就像relaxed一样，返回先前的值。

memory_order_release，memory_order_consume 这两个也是一对的，配对使用才能同步，与acquire区别在这里

struct X{
　　int i;
　　std::string s;
};

std::atomic<X*> p;
std::atomic<int> a;

void create_x(){
　　X* x=new X;
　　x->i=42;
　　x->s=”hello”;
　　a.store(99,std::memory_order_relaxed); // 1
　　p.store(x,std::memory_order_release);
}

void use_x(){
　　X* x;
　　while(!(x=p.load(std::memory_order_consume))) // 2
　　std::this_thread::sleep(std::chrono::microseconds(1));
　　assert(x->i==42);
　　assert(x->s==”hello”);
　　assert(a.load(std::memory_order_relaxed)==99); //3
}


int main(){
　　std::thread t1(create_x);
　　std::thread t2(use_x);
　　t1.join();
　　t2.join();
}

 

i++和++i是否为原子操作

一.i++

i++的操作分三步：

（1）栈中取出i

（2）i自增1

（3）将i存到栈

所以i++不是原子操作，上面的三个步骤中任何一个步骤同时操作，都可能导致i的值不正确自增

二.++i

在多核的机器上，cpu在读取内存i时也会可能发生同时读取到同一值，这就导致两次自增，实际只增加了一次。

 

综上，我认为i++和++i都不是原子操作。

 

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