C++:std::atomic<bool> 和 volatile bool

Question

我正在阅读 Anthony Williams 的 C++ concurrency in action book。 这个经典的例子有两个线程，一个产生数据，另一个消耗数据，A.W.这段代码写得很清楚:

std::vector<int> data;
std::atomic<bool> data_ready(false);

void reader_thread()
{
    while(!data_ready.load())
    {
        std::this_thread::sleep(std::milliseconds(1));
    }
    std::cout << "The answer=" << data[0] << "\n";
}

void writer_thread()
{
    data.push_back(42);
    data_ready = true;
}

而且我真的不明白为什么这段代码与我使用经典的 volatile bool 而不是原子的不同。 如果有人能在这个问题上打开我的思路，我将不胜感激。 谢谢。

Answer 1

“经典”bool ，正如你所说，它不能可靠地工作(如果有的话)。造成这种情况的一个原因是编译器可以(并且很可能会，至少在启用优化的情况下)加载 data_ready只有一次来自内存，因为没有迹象表明它会在 reader_thread 的上下文中发生变化.

您可以使用 volatile bool 来解决这个问题。每次都强制加载它(这可能看起来可行)，但这仍然是关于 C++ 标准的未定义行为，因为对变量的访问既不是同步的也不是原子的。

您可以使用 mutex header 中的锁定工具强制同步。 ，但这会引入(在您的示例中)不必要的开销(因此 std::atomic )。

---

volatile 的问题是它只保证不遗漏指令并保留指令顺序。 volatile 不保证使用内存屏障来强制缓存一致性。这意味着 writer_thread在处理器 A 上，无需 reader_thread 就可以将值写入它的缓存(甚至可能写入主内存)在处理器 B 上看到它，因为处理器 B 的缓存与处理器 A 的缓存不一致。更详尽的解释见 memory barrier和 cache coherence在维基百科上。

---

比 x = y 更复杂的表达式可能会出现其他问题(即 x += y )需要通过锁(或在这种简单的情况下为原子 += )进行同步以确保 x 的值在处理过程中不会改变。

x += y例如实际上是:

• 阅读 x
• 计算 x + y
• 将结果写回 x

如果在计算期间发生上下文切换到另一个线程，这可能会导致类似这样的结果(2 个线程，都在执行 x += 2 ；假设 x = 0):

Thread A                 Thread B
------------------------ ------------------------
read x (0)
compute x (0) + 2
                 <context switch>
                         read x (0)
                         compute x (0) + 2
                         write x (2)
                 <context switch>
write x (2)

现在 x = 2即使有两个 += 2计算。这种效果被称为撕裂。