详解C++11原子类型与原子操作

1.认识原子操作

原子操作就是在多线程程序中“最小的且不可并行化的”操作，意味着多个线程访问同一个资源时，有且仅有一个线程能对资源进行操作。通常情况下原子操作可以通过互斥的访问方式来保证，例如Linux下的互斥锁（mutex），Windows下的临界区（Critical Section）等。下面看一个Linux环境使用POSIX标准的pthread库实现多线程下的原子操作：

#include <pthread.h>
#include <iostream>
using namespace std;

int64_t total=0;
pthread_mutex_t m=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

//线程函数，用于累加
void* threadFunc(void* args)
{
  int64_t endNum=*(int64_t*)args;
  for(int64_t i=1;i<=endNum;++i)
  {
    pthread_mutex_lock(&m);
    total+=i;
    pthread_mutex_unlock(&m);
  }
}

int main()
{
  int64_t endNum=100;
  pthread_t thread1ID=0,thread2ID=0;
  
  //创建线程1
  pthread_create(&thread1ID,NULL,threadFunc,&endNum);
  //创建线程2
  pthread_create(&thread2ID,NULL,threadFunc,&endNum);
  
  //阻塞等待线程1结束并回收资源
  pthread_join(thread1ID,NULL);
  //阻塞等待线程2结束并回收资源
  pthread_join(thread2ID,NULL);

  cout<<"total="<<total<<endl;	//10100
}

上面的代码，两个线程同时对total进行操作，为了保证total+=i 的原子性，采用互斥锁来保证同一时刻只有同一线程执行total+=i操作，所以得出正确结果total=10100。如果没有做互斥处理，那么total同一时刻可能会被两个线程同时操作，即会出现两个线程同时读取了寄存器中的total值，分别操作之后又写入寄存器，这样就会有一个线程的增加操作无效，会得出一个小于10100随机的错误值。

2.C++11实现原子操作

在C++11之前，使用第三方API可以实现并行编程，比如pthread多线程库，但是在使用时需要创建互斥锁，以及进行加锁、解锁等操作来保证多线程对临界资源的原子操作，这无疑增加了开发的工作量。不过从C++11开始，C++从语言层面开始支持并行编程，内容包括了管理线程、保护共享数据、线程间的同步操作、低级原子操作等各种类。新标准极大地提高了程序的可移植性，以前的多线程依赖于具体的平台，而现在有了统一的接口。

C++11通过引入原子类型帮助开发者轻松实现原子操作。

#include <atomic>
#include <thread>
#include <iostream>
using namespace std;

atomic_int64_t total = 0;  //atomic_int64_t相当于int64_t，但是本身就拥有原子性

//线程函数，用于累加
void threadFunc(int64_t endNum)
{
	for (int64_t i = 1; i <= endNum; ++i)
	{
		total += i;
	}
}

int main()
{
	int64_t endNum = 100;
	thread t1(threadFunc, endNum);
	thread t2(threadFunc, endNum);

	t1.join();
	t2.join();

	cout << "total=" << total << endl; //10100
}

程序正常编译并运行输出正确结果total=10100。使用C++11提供的原子类型与多线程标准接口，简洁地实现了多线程对临界资源的原子操作。原子类型C++11中通过atomic<T>类模板来定义，比如atomic_int64_t是通过typedef atomic<int64_t> atomic_int64_t实现的，使用时需包含头文件<atomic>。除了提供atomic_int64_t，还提供了其它的原子类型。常见的原子类型有

原子类型名称	对应内置类型
atomic_bool	bool
atomic_char	atomic_char
atomic_char	signed char
atomic_uchar	unsigned char
atomic_short	short
atomic_ushort	unsigned short
atomic_int	int
atomic_uint	unsigned int
atomic_long	long
atomic_ulong	unsigned long
atomic_llong	long long
atomic_ullong	unsigned long long
atomic_ullong	unsigned long long
atomic_char16_t	char16_t
atomic_char32_t	char32_t
atomic_wchar_t	wchar_t

原子操作是平台相关的，原子类型能够实现原子操作是因为C++11对原子类型的操作进行了抽象，定义了统一的接口，并要求编译器产生平台相关的原子操作的具体实现。C++11标准将原子操作定义为atomic模板类的成员函数，包括读（load）、写（store）、交换（exchange）等。对于内置类型而言，主要是通过重载一些全局操作符来完成的。比如对上文total+=i的原子加操作，是通过对operator+=重载来实现的。使用g++编译的话，在x86_64的机器上，operator+=()函数会产生一条特殊的以lock为前缀的x86_64指令，用于控制总线及实现x86_64平台上的原子性加法。

有一个比较特殊的原子类型是atomic_flag，因为atomic_flag与其他原子类型不同，它是无锁（lock_free）的，即线程对其访问不需要加锁，而其他的原子类型不一定是无锁的。因为atomic<T>并不能保证类型T是无锁的，另外不同平台的处理器处理方式不同，也不能保证必定无锁，所以其他的类型都会有is_lock_free()成员函数来判断是否是无锁的。atomic_flag只支持test_and_set()以及clear()两个成员函数，test_and_set()函数检查 std::atomic_flag 标志，如果 std::atomic_flag 之前没有被设置过，则设置 std::atomic_flag 的标志；如果之前 std::atomic_flag 已被设置，则返回 true，否则返回 false。clear()函数清除 std::atomic_flag 标志使得下一次调用 std::atomic_flag::test_and_set()返回 false。可以用atomic_flag的成员函数test_and_set()和clear()来实现一个自旋锁（spin lock）：

#include <unistd.h>
#include <atomic>
#include <thread>
#include <iostream>

std::atomic_flag lock = ATOMIC_FLAG_INIT;

void func1()
{
	while (lock.test_and_set(std::memory_order_acquire)) // 在主线程中设置为true，需要等待t2线程clear
 {
  std::cout << "func1 wait" << std::endl;
 }
 std::cout << "func1 do something" << std::endl;
}

void func2()
{
 std::cout << "func2 start" << std::endl;
 lock.clear();
}

int main()
{
 lock.test_and_set();    // 设置状态
 std::thread t1(func1);
 usleep(1);					 	//睡眠1us
 std::thread t2(func2);

 t1.join();
 t2.join();

 return 0;
}

以上代码中，定义了一个atomic_flag对象lock，使用初始值ATOMIC_FLAG_INIT进行初始化，即处于false的状态。线程t1调用test_and_set()一直返回true（因为在主线程中被设置过），所以一直在等待，而等待一段时间后当线程t2运行并调用了clear()，test_and_set()返回了false退出循环等待并进行相应操作。这样一来，就实现了一个线程等待另一个线程的效果。当然，可以封装成锁操作的方式，比如：

void Lock(atomic_flag& lock){ while ( lock.test_and_set()); }
void UnLock(atomic_flag& lock){ lock.clear(); }

这样一来，就可以通过Lock()和UnLock()的方式来互斥地访问临界区。

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