c++原子变量

原子变量

概述

​ C++11提供了一个原子类型std::atomic<T>,通过这个原子类型管理的内部变量就可以称之为原子变量,我们可以给原子类型指定bool、char、int、long、指针等类型作为模板参数(不支持浮点类型和复合类型)。

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。在多核CPU下,当某个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,以保证原子操作不会被其它CPU内核所干扰。

由于原子操作是通过指令提供的支持,因此它的性能相比锁和消息传递会好很多。相比较于锁而言,原子类型不需要开发者处理加锁和释放锁的问题,同时支持修改,读取等操作,还具备较高的并发性能,几乎所有的语言都支持原子类型。

​ 可以看出原子类型是无锁类型,但是无锁不代表无需等待,因为原子类型内部使用了CAS循环,当大量的冲突发生时,该等待还是得等待!但是总归比锁要好。

​ C++11内置了整形的原子变量,这样就可以更方便的使用原子变量了。在多线程操作中,使用原子变量之后就不需要再使用互斥量来保护该变量了,用起来更简洁。因为对原子变量进行的操作只能是一个原子操作(atomic operation),**原子操作指的是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,中间不会有任何的上下文切换。**多线程同时访问共享资源造成数据混乱的原因就是因为CPU的上下文切换导致的,使用原子变量解决了这个问题,因此互斥锁的使用也就不再需要了。

1.atomic类成员

类定义

// 定义于头文件 <atomic>
template< class T >
struct atomic;

通过定义可得知:在使用这个模板类的时候,一定要指定模板类型。

构造函数
// ①
atomic() noexcept = default;
// ②
constexpr atomic( T desired ) noexcept;
// ③
atomic( const atomic& ) = delete;
  • 构造函数①:默认无参构造函数。
  • 构造函数②:使用 desired 初始化原子变量的值。
  • 构造函数③:使用=delete显示删除拷贝构造函数, 不允许进行对象之间的拷贝
公共成员函数

原子类型在类内部重载了=操作符,并且不允许在类的外部使用 =进行对象的拷贝

T operator=( T desired ) noexcept;
T operator=( T desired ) volatile noexcept;atomic& operator=( const atomic& ) = delete;
atomic& operator=( const atomic& ) volatile = delete;

也就是说:

void test01() {atomic_int a = 0; // correctatomic_int d(0); // correct// atomic_int b = a; // error// atomic_int c(a); // error
}
store函数

store 函数用于将一个值存储到原子变量中。它的基本形式如下:

void store( T desired, std::memory_order order = std::memory_order_seq_cst ) noexcept;
void store( T desired, std::memory_order order = std::memory_order_seq_cst ) volatile noexcept;
  • desired:表示要存储到原子变量中的值。
  • order:表示存储操作的内存序(memory order),默认为 memory_order_seq_cst,即顺序一致性。(可不指定)
load函数

load 函数用于从原子变量中加载当前的值。它的基本形式如下:

T load(memory_order order = memory_order_seq_cst) const noexcept;

order:表示加载操作的内存序(memory order),默认为 memory_order_seq_cst,即顺序一致性。

两个函数示例:

#include <iostream>
using namespace std;
#include <atomic>
#include <thread>atomic_int atomicCount(0);void test02() {for (int i = 0; i < 100; ++i) {atomicCount.store(atomicCount.load() + 1);}}int main() {thread t1(test02);thread t2(test02);t1.join();t2.join();cout << atomicCount.load() << endl; // 200
}

在这个例子中,两个线程并发地对 atomicCounter 进行递增操作。由于 storeload 都是原子操作,因此可以确保对 atomicCounter 的操作是线程安全的。最后输出的 atomicCounter 的值是预期的 200。

特化成员函数

主要说的是赋值运算符重载:

在这里插入图片描述

以上各个 operator 都会有对应的 fetch_* 操作,详细见下表:

在这里插入图片描述

见代码:

void test01() {atomic_int a = 0; // correctatomic_int d(1); // correct// atomic_int b = a; // error// atomic_int c(a); // errora.store(10);++a;a += d;auto e = a & d;cout << e << endl; // 0
}
内存顺序约束

也就是load函数和store函数的参数 memory_order, 以指定如何同步不同线程上的其他操作。

定义如下:

typedef enum memory_order {memory_order_relaxed,   // relaxedmemory_order_consume,   // consumememory_order_acquire,   // acquirememory_order_release,   // releasememory_order_acq_rel,   // acquire/releasememory_order_seq_cst    // sequentially consistent
} memory_order;
  • memory_order_relaxed, 这是最宽松的规则,它对编译器和CPU不做任何限制,可以乱序
  • memory_order_release 释放,设定内存屏障(Memory barrier),保证它之前的操作永远在它之前,但是它后面的操作可能被重排到它前面
  • memory_order_acquire 获取, 设定内存屏障,保证在它之后的访问永远在它之后,但是它之前的操作却有可能被重排到它后面,往往和Release在不同线程中联合使用
  • memory_order_consume:改进版的memory_order_acquire ,开销更小
  • memory_order_acq_rel,它是Acquire 和 Release 的结合,同时拥有它们俩提供的保证。比如你要对一个 atomic 自增 1,同时希望该操作之前和之后的读取或写入操作不会被重新排序
  • memory_order_seq_cst 顺序一致性, memory_order_seq_cst 就像是memory_order_acq_rel的加强版,它不管原子操作是属于读取还是写入的操作,只要某个线程有用到memory_order_seq_cst 的原子操作,线程中该memory_order_seq_cst 操作前的数据操作绝对不会被重新排在该memory_order_seq_cst 操作之后,且该memory_order_seq_cst 操作后的数据操作也绝对不会被重新排在memory_order_seq_cst 操作前。
c++20新增成员

在C++20版本中添加了新的功能函数,可以通过原子类型来阻塞线程,和条件变量中的等待/通知函数是一样的。

在这里插入图片描述

2.原子变量的使用

假设我们要制作一个多线程交替数数的计数器,我们使用互斥锁和原子变量的方式分别进行实现,对比一下二者的差异:

2.1互斥锁版本
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <atomic>
#include <functional>
using namespace std;struct Counter
{void increment(){for (int i = 0; i < 10; ++i){lock_guard<mutex> locker(m_mutex);m_value++;cout << "increment number: " << m_value << ", theadID: " << this_thread::get_id() << endl;this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(100));}}void decrement(){for (int i = 0; i < 10; ++i){lock_guard<mutex> locker(m_mutex);m_value--;cout << "decrement number: " << m_value << ", theadID: " << this_thread::get_id() << endl;this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(100));}}int m_value = 0;mutex m_mutex;
};int main()
{Counter c;auto increment = bind(&Counter::increment, &c);auto decrement = bind(&Counter::decrement, &c);thread t1(increment);thread t2(decrement);t1.join();t2.join();return 0;
}
2.2原子变量版本
#include <iostream>
#include <thread>
#include <atomic>
#include <functional>
using namespace std;struct Counter
{void increment(){for (int i = 0; i < 10; ++i){m_value++;cout << "increment number: " << m_value<< ", theadID: " << this_thread::get_id() << endl;this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(500));}}void decrement(){for (int i = 0; i < 10; ++i){m_value--;cout << "decrement number: " << m_value<< ", theadID: " << this_thread::get_id() << endl;this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(500));}}// atomic<int> == atomic_intatomic_int m_value = 0;
};int main()
{Counter c;auto increment = bind(&Counter::increment, &c);auto decrement = bind(&Counter::decrement, &c);thread t1(increment);thread t2(decrement);t1.join();t2.join();return 0;
}

程序运行结果:

decrement number: -1, theadID: 14916
increment number: 0, theadID: 6372
decrement number: -1, theadID: 14916
increment number: 0, theadID: 6372
decrement number: 0, theadID: 14916
increment number: 0, theadID: 6372
increment number: 1, theadID: 6372
decrement number: 0, theadID: 14916
increment number: 1, theadID: 6372
decrement number: 0, theadID: 14916
increment number: 1, theadID: 6372
decrement number: 0, theadID: 14916
decrement number: 0, theadID: 14916
increment number: 0, theadID: 6372
decrement number: 0, theadID: 14916
increment number: 0, theadID: 6372
decrement number: 0, theadID: 14916
increment number: 0, theadID: 6372
decrement number: -1, theadID: 14916
increment number: 0, theadID: 6372

总结:

通过代码的对比可以看出,使用了原子变量之后,就不需要再定义互斥量了,在使用上更加简便,并且这两种方式都能保证在多线程操作过程中数据的正确性,不会出现数据的混乱。

原子类型atomic<T> 可以封装原始数据最终得到一个原子变量对象,操作原子对象能够得到和操作原始数据一样的效果,当然也可以通过store()和load()来读写原子对象内部的原始数据。

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