c++原子变量
原子变量
概述
? C++11提供了一个原子类型std::atomic<T>，通过这个原子类型管理的内部变量就可以称之为原子变量，我们可以给原子类型指定bool、char、int、long、指针等类型作为模板参数（不支持浮点类型和复合类型）。
? 原子指的是一系列不可被CPU上下文交换的机器指令，这些指令组合在一起就形成了原子操作。在多核CPU下，当某个CPU核心开始运行原子操作时，会先暂停其它CPU内核对内存的操作，以保证原子操作不会被其它CPU内核所干扰。
? 由于原子操作是通过指令提供的支持，因此它的性能相比锁和消息传递会好很多。相比较于锁而言，原子类型不需要开发者处理加锁和释放锁的问题，同时支持修改，读取等操作，还具备较高的并发性能，几乎所有的语言都支持原子类型。
? 可以看出原子类型是无锁类型，但是无锁不代表无需等待，因为原子类型内部使用了CAS循环，当大量的冲突发生时，该等待还是得等待！但是总归比锁要好。
? C++11内置了整形的原子变量，这样就可以更方便的使用原子变量了。在多线程操作中，使用原子变量之后就不需要再使用互斥量来保护该变量了，用起来更简洁。因为对原子变量进行的操作只能是一个原子操作（atomic operation），**原子操作指的是不会被线程调度机制打断的操作，这种操作一旦开始，就一直运行到结束，中间不会有任何的上下文切换。**多线程同时访问共享资源造成数据混乱的原因就是因为CPU的上下文切换导致的，使用原子变量解决了这个问题，因此互斥锁的使用也就不再需要了。
1.atomic类成员
类定义
// 定义于头文件 <atomic>
template< class T >
struct atomic;
通过定义可得知：在使用这个模板类的时候，一定要指定模板类型。
构造函数
// ①
atomic() noexcept = default;
// ②
constexpr atomic( T desired ) noexcept;
// ③
atomic( const atomic& ) = delete;
- 构造函数①：默认无参构造函数。
- 构造函数②：使用 desired 初始化原子变量的值。
- 构造函数③：使用=delete显示删除拷贝构造函数, 不允许进行对象之间的拷贝
公共成员函数
原子类型在类内部重载了=操作符，并且不允许在类的外部使用 =进行对象的拷贝
T operator=( T desired ) noexcept;
T operator=( T desired ) volatile noexcept;
atomic& operator=( const atomic& ) = delete;
atomic& operator=( const atomic& ) volatile = delete;
也就是说:
void test01() {
atomic_int a = 0; // correct
atomic_int d(0); // correct
// atomic_int b = a; // error
// atomic_int c(a); // error
}
store函数
store 函数用于将一个值存储到原子变量中。它的基本形式如下：
void store( T desired, std::memory_order order = std::memory_order_seq_cst ) noexcept;
void store( T desired, std::memory_order order = std::memory_order_seq_cst ) volatile noexcept;
desired：表示要存储到原子变量中的值。order：表示存储操作的内存序(memory order)，默认为memory_order_seq_cst，即顺序一致性。(可不指定)
load函数
load 函数用于从原子变量中加载当前的值。它的基本形式如下：
T load(memory_order order = memory_order_seq_cst) const noexcept;
order：表示加载操作的内存序(memory order)，默认为 memory_order_seq_cst，即顺序一致性。
两个函数示例:
#include <iostream>
using namespace std;
#include <atomic>
#include <thread>
atomic_int atomicCount(0);
void test02() {
for (int i = 0; i < 100; ++i) {
atomicCount.store(atomicCount.load() + 1);
}
}
int main() {
thread t1(test02);
thread t2(test02);
t1.join();
t2.join();
cout << atomicCount.load() << endl; // 200
}
在这个例子中，两个线程并发地对 atomicCounter 进行递增操作。由于 store 和 load 都是原子操作，因此可以确保对 atomicCounter 的操作是线程安全的。最后输出的 atomicCounter 的值是预期的 200。
特化成员函数
主要说的是赋值运算符重载:
以上各个 operator 都会有对应的 fetch_* 操作，详细见下表：
见代码:
void test01() {
atomic_int a = 0; // correct
atomic_int d(1); // correct
// atomic_int b = a; // error
// atomic_int c(a); // error
a.store(10);
++a;
a += d;
auto e = a & d;
cout << e << endl; // 0
}
内存顺序约束
也就是load函数和store函数的参数 memory_order, 以指定如何同步不同线程上的其他操作。
定义如下:
typedef enum memory_order {
memory_order_relaxed, // relaxed
memory_order_consume, // consume
memory_order_acquire, // acquire
memory_order_release, // release
memory_order_acq_rel, // acquire/release
memory_order_seq_cst // sequentially consistent
} memory_order;
- memory_order_relaxed， 这是最宽松的规则，它对编译器和CPU不做任何限制，可以乱序
- memory_order_release 释放，设定内存屏障(Memory barrier)，保证它之前的操作永远在它之前，但是它后面的操作可能被重排到它前面
- memory_order_acquire 获取, 设定内存屏障，保证在它之后的访问永远在它之后，但是它之前的操作却有可能被重排到它后面，往往和Release在不同线程中联合使用
- memory_order_consume：改进版的memory_order_acquire ，开销更小
- memory_order_acq_rel，它是Acquire 和 Release 的结合，同时拥有它们俩提供的保证。比如你要对一个 atomic 自增 1，同时希望该操作之前和之后的读取或写入操作不会被重新排序
- memory_order_seq_cst 顺序一致性， memory_order_seq_cst 就像是memory_order_acq_rel的加强版，它不管原子操作是属于读取还是写入的操作，只要某个线程有用到memory_order_seq_cst 的原子操作，线程中该memory_order_seq_cst 操作前的数据操作绝对不会被重新排在该memory_order_seq_cst 操作之后，且该memory_order_seq_cst 操作后的数据操作也绝对不会被重新排在memory_order_seq_cst 操作前。
c++20新增成员
在C++20版本中添加了新的功能函数，可以通过原子类型来阻塞线程，和条件变量中的等待/通知函数是一样的。
2.原子变量的使用
假设我们要制作一个多线程交替数数的计数器，我们使用互斥锁和原子变量的方式分别进行实现，对比一下二者的差异：
2.1互斥锁版本
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <atomic>
#include <functional>
using namespace std;
struct Counter
{
void increment()
{
for (int i = 0; i < 10; ++i)
{
lock_guard<mutex> locker(m_mutex);
m_value++;
cout << "increment number: " << m_value
<< ", theadID: " << this_thread::get_id() << endl;
this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(100));
}
}
void decrement()
{
for (int i = 0; i < 10; ++i)
{
lock_guard<mutex> locker(m_mutex);
m_value--;
cout << "decrement number: " << m_value
<< ", theadID: " << this_thread::get_id() << endl;
this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(100));
}
}
int m_value = 0;
mutex m_mutex;
};
int main()
{
Counter c;
auto increment = bind(&Counter::increment, &c);
auto decrement = bind(&Counter::decrement, &c);
thread t1(increment);
thread t2(decrement);
t1.join();
t2.join();
return 0;
}
2.2原子变量版本
#include <iostream>
#include <thread>
#include <atomic>
#include <functional>
using namespace std;
struct Counter
{
void increment()
{
for (int i = 0; i < 10; ++i)
{
m_value++;
cout << "increment number: " << m_value
<< ", theadID: " << this_thread::get_id() << endl;
this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(500));
}
}
void decrement()
{
for (int i = 0; i < 10; ++i)
{
m_value--;
cout << "decrement number: " << m_value
<< ", theadID: " << this_thread::get_id() << endl;
this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(500));
}
}
// atomic<int> == atomic_int
atomic_int m_value = 0;
};
int main()
{
Counter c;
auto increment = bind(&Counter::increment, &c);
auto decrement = bind(&Counter::decrement, &c);
thread t1(increment);
thread t2(decrement);
t1.join();
t2.join();
return 0;
}
程序运行结果:
decrement number: -1, theadID: 14916
increment number: 0, theadID: 6372
decrement number: -1, theadID: 14916
increment number: 0, theadID: 6372
decrement number: 0, theadID: 14916
increment number: 0, theadID: 6372
increment number: 1, theadID: 6372
decrement number: 0, theadID: 14916
increment number: 1, theadID: 6372
decrement number: 0, theadID: 14916
increment number: 1, theadID: 6372
decrement number: 0, theadID: 14916
decrement number: 0, theadID: 14916
increment number: 0, theadID: 6372
decrement number: 0, theadID: 14916
increment number: 0, theadID: 6372
decrement number: 0, theadID: 14916
increment number: 0, theadID: 6372
decrement number: -1, theadID: 14916
increment number: 0, theadID: 6372
总结:
通过代码的对比可以看出，使用了原子变量之后，就不需要再定义互斥量了，在使用上更加简便，并且这两种方式都能保证在多线程操作过程中数据的正确性，不会出现数据的混乱。
原子类型atomic<T> 可以封装原始数据最终得到一个原子变量对象，操作原子对象能够得到和操作原始数据一样的效果，当然也可以通过store()和load()来读写原子对象内部的原始数据。
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