C++并发编程： std::atomic_flag 与自旋锁

std::atomic_flag 的用途

std::atomic_flag 是C++标准库中的一个简单的原子布尔类型，它是一个最基本的原子类型，只能表示两种状态：设置（true）和清除（false）。与std::atomic<bool>不同，std::atomic_flag不支持加载（load）操作，只能通过clear()和test_and_set()方法进行操作。

用途：

1. 实现简单的自旋锁（Spinlock）：std::atomic_flag可以用来实现一个简单的自旋锁（spinlock），它是一种基于忙等待的锁机制，适用于临界区较短的场景。
2. 轻量级同步机制：std::atomic_flag非常适合用于轻量级的线程同步，因为它不涉及复杂的内存顺序和复杂的原子操作。

X64 对 std::atomic_flag 的指令集支持

在x64架构上，std::atomic_flag的操作依赖于以下两个硬件指令：

1. XCHG 指令：

   • XCHG（Exchange）指令用于交换两个操作数的值。它是一个原子操作，且隐含了LOCK前缀，因此不需要显式地添加LOCK前缀。
   • 在std::atomic_flag::test_and_set()操作中，编译器通常会使用XCHG指令来实现原子地设置标志位并返回旧值。

2. BTR 指令：

   • BTR（Bit Test and Reset）指令用于测试一个位，并将其重置为0。
   • 在std::atomic_flag::clear()操作中，编译器通常会使用BTR指令来实现原子地清除标志位。

使用实例：实现一个简单的自旋锁

以下是一个使用std::atomic_flag实现简单自旋锁的示例。自旋锁是一种忙等待的锁，适用于临界区较短的场景。

C++ 代码

#include <atomic>
#include <thread>
#include <iostream>

class SpinLock {
private:
    std::atomic_flag flag = ATOMIC_FLAG_INIT; // 初始化为清除状态

public:
    void lock() {
        while (flag.test_and_set(std::memory_order_acquire)) {
            // 忙等待，直到获得锁
        }
    }

    void unlock() {
        flag.clear(std::memory_order_release);
    }
};

SpinLock spinlock;
int counter = 0;

void increment() {
    for (int i = 0; i < 100000; ++i) {
        spinlock.lock();
        counter++;
        spinlock.unlock();
    }
}

int main() {
    std::thread t1(increment);
    std::thread t2(increment);

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

    std::cout << "Counter: " << counter << std::endl;

    return 0;
}

代码说明

1. SpinLock 类：

   • flag 是一个std::atomic_flag对象，初始化为清除状态。
   • lock() 方法：调用test_and_set()方法原子地设置标志位，并返回旧值。如果旧值为true，表示锁已经被其他线程持有，线程进入忙等待循环。
   • unlock() 方法：调用clear()方法原子地清除标志位，释放锁。

2. increment() 函数：

   • 在临界区内对共享变量counter进行加法操作，确保操作的原子性和线程安全。

3. main() 函数：

   • 创建两个线程，分别执行increment()函数。
   • 等待两个线程完成后，输出counter的值。

汇编代码分析

假设编译器将test_and_set()和clear()操作翻译成以下汇编代码：

test_and_set() 的汇编实现

lock xchg [flag], 1

• xchg 指令用于交换[flag]和1的值。lock前缀确保操作的原子性。
• 如果flag的旧值为0，表示锁未被持有，线程成功获得锁；如果旧值为1，表示锁已被持有，线程进入忙等待。

clear() 的汇编实现

btr [flag], 0

• btr 指令用于测试[flag]的第0位，并将其重置为0。
• 这相当于原子地清除flag的值。

总结

std::atomic_flag 是C++中用于轻量级线程同步的基本原子类型。它非常适合实现简单的自旋锁等同步机制。在x64架构上，std::atomic_flag的操作依赖于XCHG和BTR等硬件指令，这些指令通过LOCK前缀确保操作的原子性。通过使用std::atomic_flag，开发者可以实现高效的线程同步机制，避免数据竞争问题。