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; // correct
     atomic_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 store 和 load 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; // correct
	atomic_int d(1); // correct
	// atomic_int b = a; // error
	// atomic_int c(a); // error
	a.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,   // relaxed
    memory_order_consume,   // consume
    memory_order_acquire,   // acquire
    memory_order_release,   // release
    memory_order_acq_rel,   // acquire/release
    memory_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_int
    atomic_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