C++多线程的原子操作、线程阻塞

头文件#include <Thread>及原子操作

在C++11中，<Thread>头文件包含了Thread类，提供线程的管理。

原子操作：不可被中断的一个或者一系列操作，这些操作要一次性执行完毕，或者一个都不执行。

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多线程存在的问题

在多线程中，由于进程的多个线程都是共享该进程的所有资源，那么如果有多个线程访问同一个资源时，可能会出现问题。

如果多个线程都是只读操作，那么数据不会被修改，每个进程读到的数据都是一致的，得到的结果自然也是正确的；如果涉及到数据的修改，那么多个进程读取的结果可能会出现意想不到的情况

Demo

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

uint64_t sum = 0;
 
void func(){
    for(uint64_t i = 0; i < 100000; i++)
        sum += i;
}
 
int main(){
    cout << "Start:\tsum = " << sum << endl;
    
	thread th1(func);
    thread th2(func);
    th1.join();
    th2.join();
    
    cout << "End:\tsum = " << sum << endl;
    
   	return 0;
}

代码和运行结果分析：

代码分析：
在func中实现从0到99999的累加，在main()中实例化两个线程，调用func，理论上得到的结果应该为9999900000。实际运行结果如下：

结果分析：
尝试几次运行后发现每次的结果都不一样，并且都不是想要的结果。

因为对sum的修改并不是原子操作，两个线程th1和th2都在同时修改sum。
在机器指令层面，sum += i操作被分割成两步①先保存i的值到寄存器，②再将该寄存器的值+sum，然后保存到sum中。
在两步的间隙中，多线程的问题便体现出来。

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原子操作

在C++11中，加入了新的头文件<atomic>，这是一个模板类，其中定义了数据类型以及重载操作符等。

之前定义的sum类型是uint64_t，即unsigned long long类型，在atomic头文件包含的头文件<atomic_basic.h>中，

	...
	/// atomic_uint
	typedef __atomic_base<unsigned int>	     	atomic_uint;

	/// atomic_long
	typedef __atomic_base<long>  	       		atomic_long;

	/// atomic_ulong
	typedef __atomic_base<unsigned long>		atomic_ulong;

	/// atomic_llong
	typedef __atomic_base<long long>  		atomic_llong;

	/// atomic_ullong
	typedef __atomic_base<unsigned long long> 	atomic_ullong;
	...

所以用新的类型atomic_ullong声明sum变量。

修改后的demo

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

atomic_ullong sum = {0};
 
void func(){
    for(uint64_t i = 0; i < 100000; ++i)
        sum += i;
}
 
int main(){
    cout << "Start: sum = " << sum << endl;
    
	thread th1(func);
    thread th2(func);
    th1.join();
    th2.join();
    
    cout << "End: sum = " << sum << endl;
    
   	return 0;
}

运行结果如下：

因为sum变量声明atomic，所以为原子操作，多个线程之间不会干扰，结果正确

修改方案2

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

uint64_t sum = 0L;
 
void func(){
    for(uint64_t i = 0; i < 100000; i++)
        sum += i;
}
 
int main(){
    cout << "Start:\tsum = " << sum << endl;
    
    thread th1(func);
    th1.join();
    thread th2(func);
    th2.join();
    
    cout << "End:\tsum = " << sum << endl;
    
   	return 0;
}

对两个线程分别用join操作，也可以得到正确的结果。
这里没有用原子操作，而是用线程的阻塞，保证th1线程在执行的过程中，th2无法访问th1所占用的资源。最终可以得到正确的结果。

join操作的阻塞相关参考：https://blog.youkuaiyun.com/hl_zzl/article/details/84637415