C++11特性：原子变量

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。

CAS全称是Compare and swap, 它通过一条指令读取指定的内存地址，然后判断其中的值是否等于给定的前置值，如果相等，则将其修改为新的值。

1. atomic 类成员

1.1 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。?

1.2?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?。

1.3?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;

原子地以 desired 替换当前值。按照 order 的值影响内存。?

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;

1. desired：存储到原子变量中的值。
2. order：强制的内存顺序?。

原子地加载并返回原子变量的当前值。按照 order 的值影响内存。直接访问原子对象也可以得到原子变量的当前值。

T load( std::memory_order order = std::memory_order_seq_cst ) const noexcept;
T load( std::memory_order order = std::memory_order_seq_cst ) const volatile noexcept;

1.4 类型别名：?

atomic_bool(C++11)?? ?std::atomic<bool>
atomic_char(C++11)?? ?std::atomic<char>
atomic_schar(C++11)?? ?std::atomic<signed char>
atomic_uchar(C++11)?? ?std::atomic<unsigned char>
atomic_short(C++11)?? ?std::atomic<short>
atomic_ushort(C++11)?? ?std::atomic<unsigned short>
atomic_int(C++11)?? ?std::atomic<int>
atomic_uint(C++11)?? ?std::atomic<unsigned int>
atomic_long(C++11)?? ?std::atomic<long>
atomic_ulong(C++11)?? ?std::atomic<unsigned long>
atomic_llong(C++11)?? ?std::atomic<long long>
atomic_ullong(C++11)?? ?std::atomic<unsigned long long>
atomic_char8_t(C++20)?? ?std::atomic<char8_t>
atomic_char16_t(C++11)?? ?std::atomic<char16_t>
atomic_char32_t(C++11)?? ?std::atomic<char32_t>
atomic_wchar_t(C++11)?? ?std::atomic<wchar_t>
atomic_int8_t(C++11)(可选)?? ?std::atomic<std::int8_t>
atomic_uint8_t(C++11)(可选)?? ?std::atomic<std::uint8_t>
atomic_int16_t(C++11)(可选)?? ?std::atomic<std::int16_t>
atomic_uint16_t(C++11)(可选)?? ?std::atomic<std::uint16_t>
atomic_int32_t(C++11)(可选)?? ?std::atomic<std::int32_t>
atomic_uint32_t(C++11)(可选)?? ?std::atomic<std::uint32_t>
atomic_int64_t(C++11)(可选)?? ?std::atomic<std::int64_t>
atomic_uint64_t(C++11)(可选)?? ?std::atomic<std::uint64_t>
atomic_int_least8_t(C++11)?? ?std::atomic<std::int_least8_t>
atomic_uint_least8_t(C++11)?? ?std::atomic<std::uint_least8_t>
atomic_int_least16_t(C++11)?? ?std::atomic<std::int_least16_t>
atomic_uint_least16_t(C++11)?? ?std::atomic<std::uint_least16_t>
atomic_int_least32_t(C++11)?? ?std::atomic<std::int_least32_t>
atomic_uint_least32_t(C++11)?? ?std::atomic<std::uint_least32_t>
atomic_int_least64_t(C++11)?? ?std::atomic<std::int_least64_t>
atomic_uint_least64_t(C++11)?? ?std::atomic<std::uint_least64_t>
atomic_int_fast8_t(C++11)?? ?std::atomic<std::int_fast8_t>
atomic_uint_fast8_t(C++11)?? ?std::atomic<std::uint_fast8_t>
atomic_int_fast16_t(C++11)?? ?std::atomic<std::int_fast16_t>
atomic_uint_fast16_t(C++11)?? ?std::atomic<std::uint_fast16_t>
atomic_int_fast32_t(C++11)?? ?std::atomic<std::int_fast32_t>
atomic_uint_fast32_t(C++11)?? ?std::atomic<std::uint_fast32_t>
atomic_int_fast64_t(C++11)?? ?std::atomic<std::int_fast64_t>
atomic_uint_fast64_t(C++11)?? ?std::atomic<std::uint_fast64_t>
atomic_intptr_t(C++11)(可选)?? ?std::atomic<std::intptr_t>
atomic_uintptr_t(C++11)(可选)?? ?std::atomic<std::uintptr_t>
atomic_size_t(C++11)?? ?std::atomic<std::size_t>
atomic_ptrdiff_t(C++11)?? ?std::atomic<std::ptrdiff_t>
atomic_intmax_t(C++11)?? ?std::atomic<std::intmax_t>
atomic_uintmax_t(C++11)?? ?std::atomic<std::uintmax_t>

2. 原子变量的使用

?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;
}

示例程序的执行结果为(当然执行的结果不唯一)：

decrement number: -1, theadID: 41376
decrement number: -2, theadID: 41376
decrement number: -3, theadID: 41376
decrement number: -4, theadID: 41376
decrement number: -5, theadID: 41376
increment number: -4, theadID: 25900
increment number: -3, theadID: 25900
increment number: -2, theadID: 25900
increment number: -1, theadID: 25900
increment number: 0, theadID: 25900
increment number: 1, theadID: 25900
increment number: 2, theadID: 25900
increment number: 3, theadID: 25900
increment number: 4, theadID: 25900
increment number: 5, theadID: 25900
decrement number: 4, theadID: 41376
decrement number: 3, theadID: 41376
decrement number: 2, theadID: 41376
decrement number: 1, theadID: 41376
decrement number: 0, theadID: 41376

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;
}

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。

?3. 效率的对比

?3.1 原子变量版本：

#include<iostream>
#include<memory>
#include<thread>
#include<mutex>
#include<condition_variable>
#include<functional>
#include<atomic>

std::atomic<int> shared_data;
void func()
{
	for (int i = 0; i < 100000; ++i)
	{
		shared_data++;
	}
}

int main()
{
	auto last = std::chrono::duration_cast<std::chrono::microseconds>(
		std::chrono::system_clock::now().time_since_epoch()).count();

	std::thread t1(func);
	std::thread t2(func);
	t1.join();
	t2.join();

	shared_data.store(666);
	auto cnt = shared_data.load();
	std::cout << "shared_data：" << cnt << std::endl;

	auto cur = std::chrono::duration_cast<std::chrono::microseconds>(
		std::chrono::system_clock::now().time_since_epoch()).count();

	std::cout << cur - last << std::endl;

	return 0;
}

执行的结果为：

shared_data：666
4447

其中消耗的微妙数为3000到5000。?

?3.2 互斥锁版本：

#include<iostream>
#include<memory>
#include<thread>
#include<mutex>
#include<condition_variable>
#include<functional>
#include<atomic>

int shared_data;
std::mutex mtx;
void func()
{
	for (int i = 0; i < 100000; ++i)
	{
		std::lock_guard<std::mutex> locker(mtx);
		shared_data++;
	}
}

int main()
{
	auto last = std::chrono::duration_cast<std::chrono::microseconds>(
		std::chrono::system_clock::now().time_since_epoch()).count();

	std::thread t1(func);
	std::thread t2(func);
	t1.join();
	t2.join();

	std::cout << "shared_data：" << shared_data << std::endl;

	auto cur = std::chrono::duration_cast<std::chrono::microseconds>(
		std::chrono::system_clock::now().time_since_epoch()).count();

	std::cout << cur - last << std::endl;

	return 0;
}

执行结果为：

shared_data：200000
14698

?其中消耗的微妙数为12000到20000。?

对比两种方式的消耗时间发现，使用原子量的效率更高！

?本文参考：原子变量 | 爱编程的大丙 (subingwen.cn)