C++并发编程（八）：原子类型与数据竞争

非原子类型  

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 C/C++中所有的操作默认为非原子操作。非原子操作，并不保证操作的完整性。当一个操作由2个以上的指令完成时，操作可能只执行了一个指令，变量就被另外一个线程抢占。当多个线程同时读写同一个变量时，就会发生数据竞争。

uint64_t i = 0；
void foo(){
    i = 1;
}

上述简单的赋值语句，通过一个32位的系统编译，这个操作就需要分别负责高32位和低32位的两条指令来完成。对于非原子的这两条指令，任意线程都可以在它们期间去访问变量。

当一个线程抢占在这两个指令之间调用变量，变量只修改了低32位就被其他线程调用，此时会发生写撕裂。

读取情况与赋值情况类似，当一个线程抢占两个读取指令之间去修改变量，此时变量只读取了低32位，此时会发生读撕裂。

 多个线程同时调用同一个变量，当其中一个线程执行写操作时，必须使用原子类型。

原子类型

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原子类型的操作属于原子操作，对于它们的操作只有2种状态，完成和不做。不会出现操作进行一半而被其他线程抢占的情况。

#include <atomic>
#include <thread>
#include <assert.h>
 
bool x=false;  // x现在是一个非原子变量
std::atomic<bool> y;
std::atomic<int> z;
 
void write_x_then_y()
{
  x=true;  // 1 在栅栏前存储x
  std::atomic_thread_fence(std::memory_order_release);
  y.store(true,std::memory_order_relaxed);  // 2 在栅栏后存储y
}
 
void read_y_then_x()
{
  while(!y.load(std::memory_order_relaxed));  // 3 在#2写入前，持续等待
  std::atomic_thread_fence(std::memory_order_acquire);
  if(x)  // 4 这里读取到的值，是#1中写入
    ++z;
}
int main()
{
  x=false;
  y=false;
  z=0;
  std::thread a(write_x_then_y);
  std::thread b(read_y_then_x);
  a.join();
  b.join();
  assert(z.load()!=0);  // 5 断言将不会触发
}

上述代码，实现原子类型来对非原子类型操作排序的的功能。是否可以将原子变量y替换为非原子变量呢？答案是否定的。

对于变量y，线程a和线程b会同时进行访问，线程b不断读取等待线程a将y值修改。当变量y为非原子类型时，该代码就会发生数据竞争，引发“未定义行为”。

当使用原子类型进行操作排序时，“自由”内存顺序和非原子类型的操作顺序就等价了，可以将“自由”内存顺序的变量，直接替换为非原子类型。