实现C语言的原子操作

什么是原子操作呢？即操作本身无法再被划分为更细的步骤。我们一般都是在多线程环境中，才会需要原子操作的支持。因为当多个线程中对共享资源进行原子操作时，编译器和 CPU 将能够保证这些操作的正确执行。原子操作就是说同一时刻只会有一个线程在操作共享资源。当该线程将整个原子操作全部执行完毕后，其他线程才可以继续执行同样的操作。

C11 提供了 stdatomic.h 的头文件，可以方便地使用原子操作能力。与原子操作相关的常用C标准库函数：

atomic_flag_test_and_set : 将一个atomic_flag的值设置为真，并返回旧值
atomic_flag_clear：将一个atomic_flag的值设值为假
atomic_init：初始化g个已经存在的原子对象
atomic_fetch_add_explicit：原子加法
atomic_is_lock_free：检查指定对象是否是lock-free的
atomic_exchange：原子地交换两个值
atomic_compare_exchange_weak：比较并原子地交换两个值（允许失败）
atomic_compare_exchange_strong：比较并原子地交换两个值
atomic_signal_fence：在线程和信号处理之间建立内存栅栏
atomic_thread_fence：在线程之间建立内存栅栏

#include <threads.h>
#include <stdio.h>
#include <stdatomic.h>#define THREAD_COUNT 10
#define THREAD_LOOP 100000000#ifndef __STDC_NO_ATOMICS__ // 判断编译器是否对原子操作提供支持
_Atomic long counter = 0; // 原子类型的全局变量，线程们的共享资源
#endifint run(void *arg){for(int i = 0; i < THREAD_LOOP; i++){atomic_fetch_add_explicit(&counter,1,memory_order_relaxed);//使用原子加法}printf("Thread %d terminates.\n",*((int*)arg));return thrd_success;
}int main(void){
#if !defined(__STDC_NO_THREADS__) || !defined(__STDC_NO_ATOMICS__)int ids[THREAD_COUNT];thrd_t threads[THREAD_COUNT];for(int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++){ids[i] = i+1;thrd_create(&threads[i],run,ids+i);//创建线程}for(int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++){thrd_join(threads[i],NULL);//等待线程执行完成}printf("Counter value is: %ld.\n",counter);
#endifreturn 0;
}

~/Desktop$ gcc atomic.c -o atomic
~/Desktop$ ./atomic
Thread 9 terminates.
Thread 10 terminates.
Thread 2 terminates.
Thread 3 terminates.
Thread 7 terminates.
Thread 4 terminates.
Thread 5 terminates.
Thread 8 terminates.
Thread 6 terminates.
Thread 1 terminates.
Counter value is: 1000000000.

_AtomicC11 新引入的关键字，修饰全局变量 counter，将它定义为一个原子类型,也可以使用C 标准库为我们封装好的宏 atomic_long来声明。
atomic_fetch_add_explicit 函数来完成对 counter 变量的累加过程,使线程在进行数据累加时独占整个变量。该函数的第三个参数指定当前操作需要满足的内存顺序。编译器和处理器可能会采用指令重排来优化程序的运行效率，当在多核 CPU 上运行存在线程间数据依赖的多线程应用时，程序的正确性可能会出现问题。可以通过指定各个原子操作的具体内存顺序来解决这个问题。内存顺序枚举值用途：