【C++】atomic原子操作

std::atomic

C++中原子变量（atomic）是一种多线程编程中常用的同步机制，它能够确保对共享变量的操作在执行时不会被其他线程的操作干扰，从而避免竞态条件（race condition）和死锁（deadlock）等问题。
C++11起提供了atomic，可以使用它定义一个原子类型。

template< class T >
struct atomic;

构造函数

std::atomic::atomic

std::atomic<bool> ready (false);
std::atomic<int> a;

is_lock_free函数

is_lock_free函数是一个成员函数，用于检查当前atomic对象是否支持无锁操作。调用此成员函数不会启动任何数据竞争

bool is_lock_free() const volatile noexcept;
bool is_lock_free() const noexcept;

std::atomic_flag

std::atomic_flag是 C++ 中的一个原子布尔类型，它用于实现原子锁操作。

1. std::atomic_flag 默认是清除状态（false）。可以使用 ATOMIC_FLAG_INIT 宏进行初始化，例如：std::atomic_flag flag = ATOMIC_FLAG_INIT;
2. std::atomic_flag 提供了两个成员函数 test_and_set() 和 clear() 来测试和设置标志位。test_and_set() 函数会将标志位置为 true，并返回之前的值；clear() 函数将标志位置为 false。
3. std::atomic_flag 的 test_and_set() 和 clear() 操作是原子的，可以保证在多线程环境下正确执行。
4. std::atomic_flag 只能表示两种状态，即 true 或 false，不能做其他比较操作。通常情况下，std::atomic_flag 被用作简单的互斥锁，而不是用来存储信息。

atomic_flag实现原子锁

//原子锁
class CASLock : Noncopyable {
public:
    typedef ScopedLockImpl<CASLock> Lock;

    CASLock(){
        m_mutex.clear();
    }
    ~CASLock(){

    }
    void lock(){
        while(std::atomic_flag_test_and_set_explicit(&m_mutex , std::memory_order_acquire));
    }
    void unlick(){
        std::atomic_flag_clear_explicit(&m_mutex , std::memory_order_release);
    }
private:
    // 原子状态
    volatile std::atomic_flag m_mutex;
};

atomic_flag实现自旋锁

atomic_flag lock = ATOMIC_FLAG_INIT;// 设置为false状态

void f(int n){
    // test_and_set会不断设置新值并返回旧值
    while (lock.test_and_set(std::memory_order_acquire))
        cout << "Waiting from thread " << n << endl;
    cout << "Thread" << n << " starts working" << endl;
}

void g(int n) {
    cout << "Thread " << n << " is going to start" << endl;
    lock.clear();// 将lock设置false
    cout << "Thread " << n << " starts working" << endl;
}

void test() {
    lock.test_and_set();
    thread t1(f, 1);
    thread t2(g, 2);

    t1.join();
    sleep(5);
    t2.join();
}
// 当t1执行后，lock为true，则一直自旋等待，直到t2加入后，clear将其设置为false，t1才终止自旋，执行后续代码；

store函数

void store(T desired, std::memory_order order = std::memory_order_seq_cst) volatile noexcept;
void store(T desired, std::memory_order order = std::memory_order_seq_cst) noexcept;

desired：要存储的值。
order：存储操作的内存顺序。默认是std::memory_order_seq_cst

#include 
#include 

int main()
{
    std::atomic<int> atomic_int(0);

    int val = 10;
    atomic_int.store(val);

    std::cout << "Value stored in atomic object: " << atomic_int << std::endl;

    return 0;
}

//Value stored in atomic object: 10

内存模型

【硬件内存模型】
当执行按照一定的顺序执行，则该内存模型为强顺序；
当执行不一定按照顺序执行，则该模型为弱顺序；
在多线程中，当线程间的内存数据被改变的顺序与机器指令中声明的不一致，则为弱顺序；
而上述的原子操作时强顺序的；

- 弱顺序的指令执行性能一般较高，当没有要求需要顺序执行时，使用该方式可以给程序提高性能；

【C++内存模型】
- 编译器保证原子操作间的指令顺序不变；
- 处理器对原子操作的汇编指令的执行顺序不变；
部分平台会阻止编译器优化，加入内存栅栏来保证atomic的顺序一致性，将会大大影响性能；

【如何解决不阻止编译器优化】：让程序为原子操作指定内存顺序（memory_order）；
能够让编译器重排序或处理器乱序执行；
memory_order_relaxed    ：不对执行顺序做任何保证；
memory_order_acquire    ：本线程中，所有后续的读操作必须再本条原子操作完成后执行；
memory_order_release    ：本线程中，所有之前的写操作完成后才能执行本条原子操作；
memory_order_acq_rel    ：同时包含memory_order_acquire、memory_order_release；
memory_order_consume    ：本线程中，所有后续的有关原子类型操作，后再本条原子操作完成后执行；
memory_order_seq_cst    ：全部存取都按顺序执行（可能会导致性能损失）；

- 上述中，可以使用memory_order_release和memory_order_consume产生；

load函数

load函数用于获取原子变量的当前值。

T load(memory_order order = memory_order_seq_cst) const noexcept;
operator T() const noexcept;

load函数的参数memory_order表示内存序，也就是对原子变量的读操作要遵循哪种内存模型。C++中定义了多种内存序，包括：

• memory_order_relaxed：最轻量级的内存序，不提供任何同步机制。
• memory_order_acquire：在本线程中，所有后面的读写操作必须在这个操作之后执行。
• memory_order_release：在本线程中，该操作之前的所有读写操作必须在这个操作之前执行。
• memory_order_seq_cst：最严格的内存序，保证所有线程看到的读写操作的顺序都是一致的。

使用load函数时，如果不指定memory_order，则默认为memory_order_seq_cst。

std::atomic<int> foo (0);

int x;
do {
    x = foo.load(std::memory_order_relaxed);  // get value atomically
} while (x==0);

exchange函数

访问和修改包含的值，将包含的值替换并返回它前面的值。

template< class T >
T exchange( volatile std::atomic<T>* obj, T desired );

示例

// atomic::load/store example
#include  // std::cout
#include  // std::atomic, std::memory_order_relaxed
#include  // std::thread
//std::atomic count = 0;//错误初始化
std::atomic<int> count(0); // 准确初始化
void set_count(int x)
{
    std::cout << "set_count:" << x << std::endl;
    count.store(x, std::memory_order_relaxed); // set value atomically
}
void print_count()
{
    int x;
    do {
        x = count.load(std::memory_order_relaxed); // get value atomically
    } while (x==0);
    std::cout << "count: " << x << '\n';
}
int main ()
{
    std::thread t1 (print_count);
    std::thread t2 (set_count, 10);
    t1.join();
    t2.join();
    std::cout << "main finish\n";
    return 0;
}

---