原型变量、原子操作、原子性、内存序

一、原子变量、原子操作

• 锁竞争：互斥锁、条件变量、原子变量、信号量、读写锁、自旋锁。
• 在高性能基础组件优化的时候，为了进一步提高并发性能，可以使用原子变量。
• 性能：原子变量 > 自旋锁 > 互斥锁。
  • 操作临界资源的时间较长时使用互斥锁（粒度大）。
  • 如果只操作单个变量的话，可以使用原子变量（粒度小） 进行优化。
• 给基础类型或者指针加上一个标记 std::atomic<T> 之后，它就是原子变量，对这些变量的操作就是原子操作。
• 原子变量是一种多线程编程中常用的同步机制，它能确保对共享变量的操作在执行时不会被其它线程的操作干扰，从而避免竞态条件。
• 原子变量具备原子性，也就是要么全部完成，要么全部未完成。
• 为什么会使用到原子变量 ?
  • 通常某一个变量对应的操作，其 CPU 的指令是大于 1 个指令的，在多线程环境下，可能会引发竞态，在这种线程不安全的情况下，我们需要为这个变量单独设置一个锁安全的标记 std::atomic<T>，从而实现线程安全。
  • 多线程环境下，确保对共享变量的操作在执行时不会被干扰，从而避免竞态条件。

std::atomic<T>
is_lock_free; // 是否支持无锁操作
store(T desired, std::memory_order order); // 用于将特定的值存储到原子对象中
load(std::memory_order order); // 用于获取原子变量的当前值

// 访问和修改包含的值，将包含的值替换并返回它原来的值。如果替换成功，则返回原来的值
exchange(std::atomic<T>* obj, T desired);
/* 
比较一个值和一个期望值是否相等，如果相等则该值替换成一个新值，并返回 true，否则不做任何操作并返回 false。
*/
compare_exchange_weak(T& expected, T val, memory_order success, memory_order failure);
/*
compare_exchange_weak 函数是一个弱化版本的原子操作函数，因为在某些平台上它可能会失败并重试。
如果需要保证严格的原子性，应该使用 compare_exchange_strong 函数
*/
compare_exchange_strong((T& expected, T val, memory_order success, memory_order failure);

fetch_add
fetch_sub
fetch_and
fetch_or
fetch_xor

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二、原子性

• 要么都做要么还没做，不会让其它核心看到执行的一个中间状态。
• 单处理器单核心实现原子性：
  • 只需要保证操作指令不被打断。
    • 屏蔽中断 → 不允许操作指令被打断，不让其它线程看到操作指令的中间状态。
    • 底层硬件自旋锁 → 为了实现线程切换。
• 多处理器或多核心实现原子性：
  • 除了要保证操作指令不被打断，还需要避免其它核心操作相关的内存空间。
    • 以往的 0x86 lock 指令，锁总线，避免所有内存的访问。
    • 现在的 lock 指令，锁总线，只阻止其它核心对相关内存空间的访问，也就是只锁住相关内存空间。
    • 内存总线：CPU 需要通过内存总线访问内存。
    • 磁盘总线：CPU 需要通过磁盘总线访问磁盘。

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三、CPU 缓存一致性工作原理

• 为什么要有 CPU 缓存：为了解决 CPU 运算速度与内存访问速度不匹配的问题，所以在 CPU 和内存之间设置了一些缓存。
  • CPU 和磁盘之间也有一个缓存 → 高速缓冲区（page cache） → 为了解决 CPU 运算速度与磁盘访问速度不匹配的问题。
• CPU 中有三种缓存：L1 和 L2 是核心独有的，L3 是核心共有的，也就是多个核心共用一个 L3。离核心越近访问速度越快，存储容量越小。
• CPU 缓存的基本单位：cache line，64字节。每次最少读取的数据空间（不管用户要读的数据空间有多小）。
  • flag：标识缓存中的数据是否可用，存储的是缓存的状态值（MESI）。
  • tag：索引数据是否在缓存中、数据在缓存中的位置。
  • data：具体存储的数据。
    
• 在 CPU 缓存的基础上，