原子变量

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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。

CAS全称是Compare and swap, 它通过一条指令读取指定的内存地址，然后判断其中的值是否等于给定的前置值，如果相等，则将其修改为新的值

1. atomic 类成员

类定义

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// 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

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// 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。

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T operator=( T desired ) noexcept;
T operator=( T desired ) volatile noexcept;

atomic& operator=( const atomic& ) = delete;
atomic& operator=( const atomic& ) volatile = delete;

原子地以 desired 替换当前值。按照 order 的值影响内存。

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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：存储到原子变量中的值
  • order：强制的内存顺序

原子地加载并返回原子变量的当前值。按照 order 的值影响内存。直接访问原子对象也可以得到原子变量的当前值。

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T load( std::memory_order order = std::memory_order_seq_cst ) const noexcept;
T load( std::memory_order order = std::memory_order_seq_cst ) const volatile noexcept;

特化成员函数

  • 复合赋值运算符重载，主要包含以下形式：
模板类型T为整形 T operator+= (T val) volatile noexcept;
T operator+= (T val) noexcept;
T operator-= (T val) volatile noexcept;
T operator-= (T val) noexcept;
T operator&= (T val) volatile noexcept;
T operator&= (T val) noexcept;
T operator|= (T val) volatile noexcept;
T operator|= (T val) noexcept;
T operator^= (T val) volatile noexcept;
T operator^= (T val) noexcept;
模板类型T为指针 T operator+= (ptrdiff_t val) volatile noexcept;
T operator+= (ptrdiff_t val) noexcept;
T operator-= (ptrdiff_t val) volatile noexcept;
T operator-= (ptrdiff_t val) noexcept;
  • 以上各个 operator 都会有对应的 fetch_* 操作，详细见下表：
操作符 操作符重载函数 等级的成员函数 整形 指针 其他
+ atomic::operator+= atomic::fetch_add 是 是 否
- atomic::operator-= atomic::fetch_sub 是 是 否
& atomic::operator&= atomic::fetch_and 是 否 否
| atomic::operator|= atomic::fetch_or 是 否 否
^ atomic::operator^= atomic::fetch_xor 是 否 否

内存顺序约束

通过上面的 API 函数我们可以看出，在调用 atomic类提供的 API 函数的时候，需要指定原子顺序，在C++11给我们提供的 API 中使用枚举用作执行原子操作的函数的实参，以指定如何同步不同线程上的其他操作。

定义如下:

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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。

公共成员函数 说明
wait(C++20) 阻塞线程直至被提醒且原子值更改
notify_one(C++20) 通知（唤醒）至少一个在原子对象上阻塞的线程
notify_all(C++20) 通知（唤醒）所有在原子对象上阻塞的线程

类型别名

别名 原始类型定义
atomic_bool(C++11) std::atomic<bool>
atomic_char(C++11) std::atomic<char>
atomic_schar(C++11) std::atomic<signed char>
atomic_uchar(C++11) std::atomic<unsigned char>
atomic_short(C++11) std::atomic<short>
atomic_ushort(C++11) std::atomic<unsigned short>
atomic_int(C++11) std::atomic<int>
atomic_uint(C++11) std::atomic<unsigned int>
atomic_long(C++11) std::atomic<long>
atomic_ulong(C++11) std::atomic<unsigned long>
atomic_llong(C++11) std::atomic<long long>
atomic_ullong(C++11) std::atomic<unsigned long long>
atomic_char8_t(C++20) std::atomic<char8_t>
atomic_char16_t(C++11) std::atomic<char16_t>
atomic_char32_t(C++11) std::atomic<char32_t>
atomic_wchar_t(C++11) std::atomic<wchar_t>
atomic_int8_t(C++11)(可选) std::atomic<std::int8_t>
atomic_uint8_t(C++11)(可选) std::atomic<std::uint8_t>
atomic_int16_t(C++11)(可选) std::atomic<std::int16_t>
atomic_uint16_t(C++11)(可选) std::atomic<std::uint16_t>
atomic_int32_t(C++11)(可选) std::atomic<std::int32_t>
atomic_uint32_t(C++11)(可选) std::atomic<std::uint32_t>
atomic_int64_t(C++11)(可选) std::atomic<std::int64_t>
atomic_uint64_t(C++11)(可选) std::atomic<std::uint64_t>
atomic_int_least8_t(C++11) std::atomic<std::int_least8_t>
atomic_uint_least8_t(C++11) std::atomic<std::uint_least8_t>
atomic_int_least16_t(C++11) std::atomic<std::int_least16_t>
atomic_uint_least16_t(C++11) std::atomic<std::uint_least16_t>
atomic_int_least32_t(C++11) std::atomic<std::int_least32_t>
atomic_uint_least32_t(C++11) std::atomic<std::uint_least32_t>
atomic_int_least64_t(C++11) std::atomic<std::int_least64_t>
atomic_uint_least64_t(C++11) std::atomic<std::uint_least64_t>
atomic_int_fast8_t(C++11) std::atomic<std::int_fast8_t>
atomic_uint_fast8_t(C++11) std::atomic<std::uint_fast8_t>
atomic_int_fast16_t(C++11) std::atomic<std::int_fast16_t>
atomic_uint_fast16_t(C++11) std::atomic<std::uint_fast16_t>
atomic_int_fast32_t(C++11) std::atomic<std::int_fast32_t>
atomic_uint_fast32_t(C++11) std::atomic<std::uint_fast32_t>
atomic_int_fast64_t(C++11) std::atomic<std::int_fast64_t>
atomic_uint_fast64_t(C++11) std::atomic<std::uint_fast64_t>
atomic_intptr_t(C++11)(可选) std::atomic<std::intptr_t>
atomic_uintptr_t(C++11)(可选) std::atomic<std::uintptr_t>
atomic_size_t(C++11) std::atomic<std::size_t>
atomic_ptrdiff_t(C++11) std::atomic<std::ptrdiff_t>
atomic_intmax_t(C++11) std::atomic<std::intmax_t>
atomic_uintmax_t(C++11) std::atomic<std::uintmax_t>

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

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#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

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#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;
}

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。