c++ - std::atomic 到底是什么？

Question

我了解 std::atomic<>是一个原子对象。但是原子到什么程度呢？据我了解，操作可以是原子的。使对象原子化究竟是什么意思？例如，如果有两个线程同时执行以下代码:

a = a + 12;

那么整个操作(比如 add_twelve_to(int) )是原子的吗？还是对变量 atomic 进行了更改(所以 operator=() )？

Answer 1

std::atomic<> 的每个实例化和完全特化表示不同线程可以同时操作(它们的实例)的类型，而不会引发未定义的行为:

Objects of atomic types are the only C++ objects that are free from data races; that is, if one thread writes to an atomic object while another thread reads from it, the behavior is well-defined.

In addition, accesses to atomic objects may establish inter-thread synchronization and order non-atomic memory accesses as specified by std::memory_order.

std::atomic<>包装在 C++ 之前 11 次必须使用(例如)interlocked functions 执行的操作使用 MSVC 或 atomic bultins在 GCC 的情况下。

另外，std::atomic<>通过允许各种 memory orders 为您提供更多控制权指定同步和排序约束。如果您想了解更多关于 C++ 11 原子和内存模型的信息，这些链接可能很有用:

• C++ atomics and memory ordering
• Comparison: Lockless programming with atomics in C++ 11 vs. mutex and RW-locks
• C++11 introduced a standardized memory model. What does it mean? And how is it going to affect C++ programming?
• Concurrency in C++11

请注意，对于典型的用例，您可能会使用 overloaded arithmetic operators或 another set of them :

std::atomic<long> value(0);
value++; //This is an atomic op
value += 5; //And so is this

由于运算符语法不允许您指定内存顺序，这些操作将使用 std::memory_order_seq_cst 执行。 ，因为这是 C++ 11 中所有原子操作的默认顺序。它保证了所有原子操作之间的顺序一致性(总全局排序)。

但是，在某些情况下，这可能不是必需的(而且没有什么是免费的)，因此您可能希望使用更明确的形式:

std::atomic<long> value {0};
value.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed); // Atomic, but there are no synchronization or ordering constraints
value.fetch_add(5, std::memory_order_release); // Atomic, performs 'release' operation

现在，你的例子:

a = a + 12;

不会评估为单个原子操作:它将导致 a.load() (它本身是原子的)，然后在这个值和 12 之间添加和 a.store() (也是原子的)最终结果。正如我之前提到的，std::memory_order_seq_cst将在这里使用。

但是，如果你写 a += 12 ，这将是一个原子操作(正如我之前提到的)，大致相当于a.fetch_add(12, std::memory_order_seq_cst) .

至于你的评论:

A regular int has atomic loads and stores. Whats the point of wrapping it with atomic<>?

您的说法仅适用于为存储和/或加载提供这种原子性保证的架构。有些架构不这样做。此外，通常要求必须对字/双字对齐地址执行原子操作 std::atomic<>是保证在每个平台上都是原子的东西，没有额外的要求。此外，它还允许您编写如下代码:

void* sharedData = nullptr;
std::atomic<int> ready_flag = 0;

// Thread 1
void produce()
{
    sharedData = generateData();
    ready_flag.store(1, std::memory_order_release);
}

// Thread 2
void consume()
{
    while (ready_flag.load(std::memory_order_acquire) == 0)
    {
        std::this_thread::yield();
    }

    assert(sharedData != nullptr); // will never trigger
    processData(sharedData);
}

请注意，断言条件将始终为真(因此永远不会触发)，因此您始终可以确保数据在 while 之后准备就绪。循环退出。那是因为:

• store()在 sharedData 之后执行标志已设置(我们假设 generateData() 总是返回有用的东西，特别是从不返回 NULL )并使用 std::memory_order_release顺序:

memory_order_release

A store operation with this memory order performs the release operation: no reads or writes in the current thread can be reordered after this store. All writes in the current thread are visible in other threads that acquire the same atomic variable

• sharedData在 while 之后使用循环退出，因此在 load() 之后from 标志将返回一个非零值。 load()使用 std::memory_order_acquire顺序:

std::memory_order_acquire

A load operation with this memory order performs the acquire operation on the affected memory location: no reads or writes in the current thread can be reordered before this load. All writes in other threads that release the same atomic variable are visible in the current thread.

这使您可以精确控制同步，并允许您明确指定您的代码可能/可能不会/将/不会表现的方式。如果只保证原子性本身，这是不可能的。特别是当涉及到非常有趣的同步模型时，如 release-consume ordering .