C++并发编程 - 原子操作

所谓原子操作是指不会被线程调度机制打断的操作；这种操作一旦开始，就一直运行到结束，中间不会有任何 context switch（切换到另一个线程）。 --百度百科

  原子操作可以保证正在进行的动作不被打断，即一旦开始，持续结束。对比互斥锁其优势在于，原子操作在C/C++的层面，是无锁操作，其既能解决并发问题又不会导致死锁。

原理

  先说明一下，非原子操作。从开始执行到结束的过程中，可能会被其他任务打断的操作，就称为非原子操作。假如，多个任务操作的不是同一块内存，不会存在问题；如若操作了同一块内存，就可能引起很严重且难以排查的bug。

  在X86平台，CPU提供了在指令执行期间对总线加锁的手段。CPU上有一根引线#HLOCK pin连到北桥，如果汇编语言的程序中在一条指令前面加上前缀“LOCK”，经过汇编以后的机器代码就使CPU在执行这条指令的时候把#HLOCK pin的电位拉低，持续到这条指令结束时放开，从而把总线锁住，这样同一总线上别的CPU就暂时不能通过总线访问内存了，保证了这条指令在多处理器环境中的原子性。

使用场景

  在多线程的代码中，同时操作一个普通的变量，经过测试，会存在某些严重的bug。

void value_add_test()
{
  int shareValue = 0;

  auto f = [&](const char *name, int idx) {
      for (int i = 0; i < 10000; i++) {
          ++shareValue;
          usleep(5);          // 使多个线程相互切换
          LOG("%s%d: shareValue %d\n", name, idx, shareValue);
      }
  };

  for (int i = 0; i < 100; i++)
  {
      aThreads[i] = std::thread(f, "thread", i);
  }

  for (int j = 0; j < 100; j++)
  {
      aThreads[j].join();
  }

  LOG("shareValue: %d\n", shareValue);
}

执行结果

... // 省略
thread96: shareValue 999839
thread96: shareValue 999840
thread96: shareValue 999841
thread96: shareValue 999842
shareValue: 999842

  预期执行完毕i的值为1000000，但在Ubuntu20.04.1的版本上执行的结果为999842(计算结果不固定)。

  分析原因：++shareValue在汇编中分为三步：读取数据； shareValue加1；将shareValue值写入内存。可能会存在某个线程在进行第二步的同时，其他线程执行第三步或者第一步就造成了值的混乱。

解决方法：
可通过互斥锁或者原子操作解决。相对于互斥锁，原子操作的使用更为方便，只需要将操作的变量声明为原子操作即可。

void value_add_test()
{
  std::atomic<int> atomicValue(0);

  auto f = [&](const char *name, int idx) {
      for (int i = 0; i < 10000; i++) {
          ++atomicValue;
          usleep(5);          // 使多个线程相互切换
          LOG("%s%d: atomicValue %d\n", name, idx, atomicValue.load());
      }
  };

  for (int i = 0; i < 100; i++)
  {
      aThreads[i] = std::thread(f, "thread", i);
  }

  for (int j = 0; j < 100; j++)
  {
      aThreads[j].join();
  }

  LOG("atomicValue: %d\n", atomicValue.load());
}

执行结果

... //省略
thread84: atomicValue 999996
thread84: atomicValue 999997
thread84: atomicValue 999998
thread84: atomicValue 999999
thread84: atomicValue 1000000
atomicValue: 1000000

  把普通变量用原子变量替换后，其值就正确了。本例使用的std::atomic<int>，其支持++、--操作。其他类型的原子变量可能不支持此操作。

std::atomic:指针运算

  原子指针类型，可以使用内置类型或自定义类型T， 通过特化 std::atomic<T*> 进行定义。其使用方法与标准的原子整形使用方式类似。

  std::atomic<T*>为指针运算提供新的操作。 基本操作有fetch_add()和fetch_sub()提供，它们在存储地址上做原子加法和减法， 为+=, -=, ++和--提供简易的封装。

std::atomic<>主要类的模板

  针对常用的类型，C++11都有对应的原子类型，不同的原子类型开放的接口有些许差异，如下表：

原子操作.png

总结

• 常规的原子操作与普通变量类型使用起来相差不大，其保证变量在修改时不被打断，避免并发导致的一些异常问题。

• 原子操作不存在死锁问题，因此在并发编程中，"临界区"较简单都可以使用原子操作代替互斥锁。

• 本文仅包含原子操作的介绍及简单使用，《C++并发编程实战》中对原子操作的描述有很大一部分在本文未体现。后续若涉及到原子操作其他方面的使用，再做补充。

参考

https://blog.csdn.net/yuntongsf/article/details/9197813
https://forsworns.github.io/zh/blogs/20210822/
《C++并发编程实战》