《C++并发编程实战》第5章 C++内存模型和原子操作

原创于 2025-12-23 19:55:03 发布 · 520 阅读

15 ·

CC 4.0 BY-SA版权

文章标签：

#c++ #java #android

本书的章节安排

在这里插入图片描述

C++中的位域

在这里插入图片描述

5.1 C++中的原子操作及其类型

5.2.1　标准原子类型

is_lock_free() ，准许使用者判定某一给定类型上的操作是能由原子指令（atomic instruction）直接实现（x.is_lock_free()返回true），还是要借助编译器和程序库的内部锁来实现（x.is_lock_free()返回false）。这一功能可在许多情形中派上大用场，原子操作的关键用途是取代需要互斥的同步方式。但是，假如原子操作本身也在内部使用了互斥，就很可能无法达到所期望的性能提升，而更好的做法是采用基于互斥的方式，该方式更加直观且不易出错。无锁数据结构正属于这种情况，我们将在第7章讨论。

在这里插入图片描述

原子类型的新旧别名不要混用

原子类型的第二个参数取值:

存储（store）操作，可选用的内存次序有std::memory_order_relaxed、std::memory_order_release或std::memory_order_seq_cst。
载入（load）操作，可选用的内存次序有std::memory_order_relaxed、std::memory_order_consume、std::memory_order_acquire或std::memory_order_seq_cst。
读-改-写”（read-modify-write）操作，可选用的内存次序有std::memory_order_relaxed、std::memory_order_consume、std::memory_order_acquire、std::memory_order_release、std::memory_order_acq_rel或std::memory_order_seq_cst。

在这里插入图片描述

5.2.2　操作std::atomic_flag

std::atomic_flag类型的对象必须由宏ATOMIC_FLAG_INIT初始化。也是唯一保证无锁的原子类型

原子操作为什么禁止拷贝构造和拷贝赋值？
原子类型上的操作全都是原子化的，但拷贝赋值和拷贝构造都涉及两个对象，而牵涉两个不同对象的单一操作却无法原子化。在拷贝构造或拷贝赋值的过程中，必须先从来源对象读取值，再将其写出到目标对象。这是在两个独立对象上的两个独立操作，其组合不可能是原子化的。
使用std::atomic_flag()实现无锁

#include <iostream>
#include <list>
#include <algorithm>
#include <thread>
#include <future>

class SpinLockMutex
{
    std::atomic_flag flag = ATOMIC_FLAG_INIT;

public:
    SpinLockMutex() : flag(ATOMIC_FLAG_INIT) {}

    void lock()
    {
        while (flag.test_and_set(std::memory_order_acquire))
            ;
    }

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

5.2.3　操作std::atomic

奇怪的赋值操作

在这里插入图片描述

atomic 的赋值运算符不返回引用，是为了防止你“刚赋完值，却被别人抢先改了，然后你又把改后的值当结果用”

“比较-交换”（compare-exchange）

在这里插入图片描述

compare_exchange_weak()，返回false有有两种情况，一种是正常现象即和预期值不相等，第二种是原子化的比较-交换必须由一条指令单独完成，而某些处理器没有这种指令，无从保证该操作按原子化方式完成。要实现比较-交换，负责的线程则须改为连续运行一系列指令，但在这些计算机上，只要出现线程数量多于处理器数量的情形，线程就有可能执行到中途因系统调度而切出，导致操作失败，从而返回false，所以为了避免第二🀄情况的出现，我们一般使用对于compare_exchange_weak()使用while

在这里插入图片描述



// 假设 atomic_val 的初始值是 1
int expected = 2;
int desired = 3;

// 循环直到成功
while (!atomic_val.compare_exchange_weak(expected, desired))
{
    // 第一次循环：atomic_val=1, expected=2 -> 失败，expected被更新为1，此时expected=1，返回false
    // 第二次循环：atomic_val=1, expected=1 -> 成功，atomic_val被更新为3，返回true
}

在这里插入图片描述

成功或失败

在这里插入图片描述

5.2.4　操作std::atomic<T*>：算术形式的指针运算

fetch_add()和fetch_sub()都是“读-改-写”操作

在这里插入图片描述

整数原子类型上的相关操作尚不算全面，但已经近乎完整，所缺少的重载运算符仅仅是乘除与位移

5.2.6　泛化的std::atomic<>类模板

std::atomic 只适用于“把对象当作一整块不可分割内存来比较和交换，而完全不关心其业务语义”的平凡数据类型。
在这里插入图片描述

std::atomic 允许你对自定义类型做原子操作，但仅限于那些结构简单、能被 memcpy 安全复制的类型。它的比较是位级别的，不受你写的 == 影响，也不能用于复杂对象。如果不满足条件，就别硬用，改用 std::mutex 更安全。

5.3　同步操作和强制次序

同步关系只存在于原子类型的操作之间。

先后一致次序（memory_order_seq_cst）、获取-释放次序（memory_order_consume、memory_order_acquire、memory_order_release和memory_order_acq_rel）、宽松次序（memory_order_relaxed）。

在这里插入图片描述

对于memory_order_acquire和memory_order_release的重要纠偏

在这里插入图片描述
read_x_then_y执行到if时，一定保证x为true。read_y_then_x执行到if时，一定保证y为true。所以最终的x和y都会为true，注意这是最终，也就是aeesrt时，但是！！！！在read_x_then_y和read_y_then_x两个线程并不能保证执行到if时会使if为真。write_x()和write_y()并没有一个前后关系。如果两个有前后关系的话比如写x在前，那么执行到read_y_then_x线程一定可以使z++

在这里插入图片描述

通过获取-释放次序传递同步

在这里插入图片描述

注意relaxed和released配合可以实现同步

上面的两个同步变量sync1和sync2变为1个：

#include <atomic>
#include <thread>
#include <assert.h>

std::atomic<int> data[5];
std::atomic<int> sync(0); // 0 → 1 → 2

void thread_1()
{
    data[0].store(42,  std::memory_order_relaxed);
    data[1].store(97,  std::memory_order_relaxed);
    data[2].store(17,  std::memory_order_relaxed);
    data[3].store(-141,std::memory_order_relaxed);
    data[4].store(2003,std::memory_order_relaxed);

    sync.store(1, std::memory_order_release);
}

void thread_2()
{
    int expected = 1;

    // 等待 sync == 1
    while (!sync.compare_exchange_strong(
        expected,
        2,
        std::memory_order_acq_rel,
        std::memory_order_relaxed))
    {
        expected = 1; // CAS失败需恢复 expected
        // 自旋直到成功把 1 改成 2
    }
}

void thread_3()
{
    // 等待 sync == 2
    while(sync.load(std::memory_order_acquire) != 2);

    assert(data[0].load(std::memory_order_relaxed)==42);
    assert(data[1].load(std::memory_order_relaxed)==97);
    assert(data[2].load(std::memory_order_relaxed)==17);
    assert(data[3].load(std::memory_order_relaxed)==-141);
    assert(data[4].load(std::memory_order_relaxed)==2003);
}

int main()
{
    std::thread t1(thread_1);
    std::thread t2(thread_2);
    std::thread t3(thread_3);

    t1.join();
    t2.join();
    t3.join();
}