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C++(26): 原子操作（std::atomic）

news 来源：原创 2024/9/29 11:32:59

1. 简述

2. 什么是原子操作

3. C++原子操作

4. std::atomic_flag

5. std::atomic

（1）操作

（2）赋值（store）、读取（load）与交换（exchange）

（3）算术运算

（4）CAS

1. 简述

开发过多线程、并发编程的小伙伴一定接触过mutex，通过对资源进行加锁和解锁，实现对方问和修改的互斥操作。mutex使用起来很方便，很强大，但也有局限性。频繁地加锁和解锁会造成较大的资源消耗，影像系统的性能。

与mutex相比，原子（atomic）操作相对灵活和简单。

注意，这种灵活性在一定程度上是做了某些妥协的。

2. 什么是原子操作

原子指的是一系列不可被CPU上下文交换的机器指令，这些指令组合在一起就形成了原子操作。

我们在日常使用的CPU或SOC基本都是多核的情况，当其中某个CPU核心开始运行原子操作时，会先暂停其它CPU内核对内存的操作，保证对资源的独占性，进而保证资源不会被其它CPU内核所干扰，这就是原子操作的通俗解释。

3. C++原子操作

C++提供了一个模板类型std::atomic<T>来助力实现原子操作，还提供了一些特化的原子类型，例如std::atomic_int、std::atomic_long等。

此外还提供了std::atomic_flag这一超简单的原子类型，简单到只有设置（set）和清除（clear）两种状态。

4. std::atomic_flag

std::atomic_flag可以说得上是最简单的原子类型了，他只有设置（set）和清除（clear）两种状态。std::atomic_flag不可拷贝和赋值，且必须使用ATOMIC_FLAG_INIT宏初始化。

#include <atomic>std::atomic_flag flag = ATOMIC_FLAG_INIT;

关于atomic_flag我们只需要掌握两个成员的使用就可以了，他们分别是test_and_set和clear。

test_and_set用于判断当前变量是否被设置过，如果没有被设置过，则进行设置，并返回false，反之则直接返回true。

clear用于清除设置的状态。

如下所示的例程演示了排他性的访问某些资源，创建10个线程，分别访问同一段资源。当test_and_set返回true时，说明有其他某个线程正在访问，因此等待，知道test_and_set返回false，进行访问，之后清除。

#include <iostream>#include <atomic>#include <thread>#include <vector>#include <sstream>std::atomic_flag atomic_state = ATOMIC_FLAG_INIT;std::stringstream stream_info;void access_stream(int x){while (atomic_state.test_and_set()); ///< 等待状态被清除stream_info << "thread" << x << "access stream" << '\n';atomic_state.clear(); ///< 清楚状态}int main(){std::vector < std::thread > threads;for(int i = 1; i <= 10; ++i){threads.push_back(std::thread(access_stream, i));}for(auto & th:threads){th.join();}std::cout << stream_info.str() << std::endl;;return 0;}

5. std::atomic<T>

std::atomic<T>作为一个模板，提供了通用的原子类型，也提供了比std::atomic_flag更为灵活和复杂的应用功能。

std::atomic_int等作为特化的原子类型，是特殊的std::atomic<T>，一般来讲std::atomic_int等价于std::atomic<int>,其他特化类型类似。

（1）操作

std::atomic提供了赋值、算术运算和比较交换等操作。

（2）赋值（store）、读取（load）与交换（exchange）

std::tomic提供了store和load接口，分别用来赋值和读取，也提供了exchange用来交换新值，返回旧值。

#include <iostream>#include <atomic>int main(int argc, char* argv[]){std::atomic<int> atomic_int(0);atomic_int.store(10); ///< 设置原子变量的值std::cout << "value: " << atomic_int.load() << std::endl;int value = atomic_int.load(); ///< 读取原子变量的值std::cout << "value: " << value << std::endl;int old_value = atomic_int.exchange(20); // 交换原子变量的值std::cout << "old_value: " << old_value << ", new_value: " << atomic_int.load() << std::endl;return 0;}

（3）算术运算

std::atomic提供了原子加，原子减等接口，具体包含fetch_add、fetch_sub、fetch_and、fetch_or和fetch_xor等。

原子算术运算后，都会返回原值。

#include <iostream>#include <atomic>int main(int argc, char* argv[]){std::atomic<int>    atomic_int(0);int last_value;last_value = atomic_int.fetch_add(10); ///< 原子加操作 std::cout << "last_value: " << last_value << ", new_value: " << atomic_int.load() << std::endl;last_value = atomic_int.fetch_sub(5); ///< 原子减操作std::cout << "last_value: " << last_value << ", new_value: " << atomic_int.load() << std::endl;last_value = atomic_int.fetch_and(0b1100); ///< 原子与操作std::cout << "last_value: " << last_value << ", new_value: " << atomic_int.load() << std::endl;last_value = atomic_int.fetch_or(0b1010); ///< 原子或操作std::cout << "last_value: " << last_value << ", new_value: " << atomic_int.load() << std::endl;last_value = atomic_int.fetch_xor(0b1111); ///< 原子异或操作std::cout << "last_value: " << last_value << ", new_value: " << atomic_int.load() << std::endl;return 0;}

（4）CAS

CAS，Compare and Swap，比较并交换。

std::atomic提供了compare_exchange_weak和compare_exchange_strong实现比较及交换功能，二者的功能是一样的，但是前者性能更好一些，常在高速循环中使用。

参数传入期待值与新值，通过比较当前值与期待值的情况进行区别改变。

a.compare_exchange_weak(b, c)其中a是当前值，b期望值，c新值

a==b时：函数返回真，并把c赋值给a

a!=b时：函数返回假，并把a复制给b

#include <iostream>#include <atomic>int main(int argc, char* argv[]){std::atomic<int> a;a.store(10);int b=10;int c=20;std::cout<<"a:"<<a<<std::endl;if(a.compare_exchange_weak(b, c)){ ///< a和b值相同，把c的值赋给astd::cout<<"a true:"<<a.load()<<std::endl;}std::cout<<"a:"<<a<<" b:"<<b<<" c:"<<c<<std::endl;return 0;}>> 运行结果a: 20 b:10 c:20