C++ std::atomic和std::mutex

news2024/12/28 5:48:51

C++11 引入了两个重要的同步机制用于多线程编程：std::atomic 和 std::mutex。它们各自适用于不同的并发控制需求，并在实现和使用上有很大的不同。

1. 目的和用途

std::atomic:
- 设计目的：为原子操作提供支持，保证对变量的操作（如加载、存储、增加、减少等）是原子的，无需锁。
- 用途：适用于需要对单个变量进行并发访问并保持高性能的场景，如计数器、标志位等。
std::mutex:
- 设计目的：提供互斥锁，用于保护共享资源，确保同一时刻只有一个线程可以访问某个资源。
- 用途：适用于复杂的临界区保护，需要确保某个代码段在任何时刻只能被一个线程执行，如保护复杂数据结构、文件操作等。

2. 性能和开销

std::atomic:
- 性能：通常比std::mutex更快，因为它利用了硬件提供的原子操作指令，操作开销相对较低。
- 开销：几乎没有上下文切换和内核态开销，所有操作都是在用户态完成的。
- 无锁特性：避免了锁竞争和线程阻塞，可以减少上下文切换的开销。
std::mutex:
- 性能：相对较慢，因为涉及上下文切换和内核态的开销。
- 开销：需要等待操作，存在线程阻塞的可能性，当线程数较多时容易产生竞争和死锁风险。
- 锁竞争：多个线程竞争同一个锁时会导致性能下降。

3. 易用性和代码复杂度

std::atomic:
- 易用性：相对简单，只需对变量进行原子操作。
- 代码复杂度：适用于简单的变量操作，不适用于复杂的临界区保护。
std::mutex:
- 易用性：相对复杂，需要显式地锁定和解锁。
- 代码复杂度：适用于复杂的临界区保护，需要更仔细地管理锁的生命周期和作用范围，而且要小心避免死锁。

4.使用示例

++操作并不是一个原子操作，该操作分为三步：

load：将共享变量n从内存加载到寄存器中。
update：更新寄存器里面的值，执行+1操作。
store：将新值从寄存器写回共享变量n的内存地址。

多个线程在同一个进程内工作，共享进程的资源，线程本身只拥有线程id、寄存器、线程栈。

因此可能当线程1刚将n的值加载到寄存器中就被切走了，也就是只完成了++操作的第一步，而线程2可能顺利完成了一次完整的++操作才被切走，而这时线程1继续用之前加载到寄存器中的值完成剩余的两步操作，最终就会导致两个线程分别对共享变量n进行了一次++操作，但最终n的值却只被++了一次。

因此需要加锁或者原子类：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <atomic>

std::atomic<int> atomic_count(0);
std::mutex mtx;
int count = 0;

void atomic_increment() {
    for (int i = 0; i < 1000; ++i) {
        atomic_count++;
    }
}

void mutex_increment() {
    for (int i = 0; i < 1000; ++i) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        count++;
    }
}

int main() {
    std::thread t1(atomic_increment);
    std::thread t2(atomic_increment);
    t1.join();
    t2.join();
    std::cout << "Atomic count: " << atomic_count << std::endl;

    std::thread t3(mutex_increment);
    std::thread t4(mutex_increment);
    t3.join();
    t4.join();
    std::cout << "Mutex count: " << count << std::endl;

    return 0;
}