【Example】C++ 标准库 std::atomic 及 std::memory_order

C++ 标准库提供了原子操作。（我已经懒得写序言了）

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先来说原子操作的概念：

原子操作是多线程当中对资源进行保护的一种手段，主要作用是和互斥量(Mutex)一样，避免对资源的并发访问、修改。

互斥量的粒度衡量是作用域(哪怕作用域内只有一个变量)，而原子的粒度衡量则是以一个变量或对象为单位。因此，原子相对于互斥量更加高效，但并非替代关系。

互斥量的主要作用是保护作用域内的资源，而原子的作用是保护一个变量或对象。

因此，当你需要保护的资源仅仅是某个变量或对象时，应首先考虑使用原子。

1，std::atomic

头文件：

#include <atomic>

std::atomic 是一个模板类，它的语法是：

std::atomic<Type> name(default_value);

如果你并不明白 std::atomic (原子) 的作用，请看以下代码及执行结果：

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

int basic_value(0);
void ThreadChangeValue() {
    for (size_t i = 0; i < 1000000; i++)
    {
        basic_value++;
    }
    return;
}

std::atomic<int> atomic_int_value(0);
void ThreadChangeAtomic() {
    for (size_t i = 0; i < 1000000; i++)
    {
        atomic_int_value.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed);
    }
    return;
};

int main()
{
    std::thread t1(ThreadChangeValue);
    std::thread t2(ThreadChangeValue);

    std::thread t3(ThreadChangeAtomic);
    std::thread t4(ThreadChangeAtomic);

    t1.join();
    t2.join();

    t3.join();
    t4.join();

    std::cout << "Basic Value: " << basic_value << std::endl;
    std::cout << "Atomic Value: " << atomic_int_value << std::endl;

    return EXIT_SUCCESS;
}

执行结果：

Basic Value: 1123299
Atomic Value: 2000000

以上代码分别定义了两个 int 变量，一个是普通的变量，一个是原子变量。两个变量分别用两个线程去递增1000000次。

理论上，两个变量最终值应同为2000000。然而，普通变量却出现了资源竞争性错误，两个线程都有接近一半的操作都是失败的，导致最终值仅为1123299。

而受原子保护的变量，两个线程的操作则全部成功。

std::atomic 的成员函数表：

除此之外 std::atomic 还对 int 及指针类型做了特殊化增强，以下操作函数仅适用于 int 及指针类型操作：

额外备注：C++ 20 后部分特化支持 float 。

额外补充 std::atomic_flag :

std::atomic_flag 是原子的最基本布尔类型，它是无锁的，并且它没有拷贝构造函数，也不提供 load 和 store 操作。主要用于提供比 std::atomic 更简单基本化布尔操作效率。

构造语法：

std::atomic<bool> name(false);
std::atomic_flag name = ATOMIC_FLAG_INIT;

成员函数表:

2，std::memory_order

std::memory_order 指定内存访问，包括常规的非原子内存访问，如何围绕原子操作排序。在没有任何制约的多处理器系统上，多个线程同时读或写数个变量时，一个线程能观测到变量值更改的顺序不同于另一个线程写它们的顺序。其实，更改的顺序甚至能在多个读取线程间相异。一些类似的效果还能在单处理器系统上出现，因为内存模型允许编译器变换。

库中所有原子操作的默认行为提供序列一致顺序（见后述讨论）。该默认行为可能有损性能，不过可以给予库的原子操作额外的 std::memory_order 参数，以指定附加制约，在原子性外，编译器和处理器还必须强制该操作。

-- 《C++ Reference》

要理解内存序是做什么的，要先从硬件讲起：（尽量简单通俗）

以一颗 CPU i7-10875H 为例，它有8颗物理内核，从物理上来讲，它可以同时处理8条并行线程，通过超线程技术可以扩展到16条线程(物理上还是8条)。

再在软件层面来讲，并行的数千条线程是逻辑并行，终究都要交给 CPU 进行串行处理，而 CPU 可以同时处理的线程数量，就是由内核数量决定的。

而每个 CPU 内核所运算数据的存取，并不是直接存取到内存当中，而是要先经过每个内核互相独立的 L1、L2 两级高速缓存，再到 CPU 内核之间共享的 L3 高速缓存，再然后到内存。

这样就造成了一个问题，就是，假设一个内核负责的一条线程修改了某个变量的值，但是还没有刷新到内核之间共享的 L3 缓存或者内存之中，那么这时候其他 CPU 内核从内存中读取到的该变量就仍然是旧值。

所以，为了避免这种情况，这就是 std::memory_order 的作用。

首先，要明白 std::memory_order 本身是什么，它是定义于 头文件当中的六个枚举值，使用时用做参数传递给 std::atomic 相关的操作函数，比如 load、store 等。

支持传 std::memory_order 枚举的相关操作函数上文都已经列出，这里重点将这六个枚举都代表什么。

std::memory_order 枚举值说明：

以下代码演示了一些最简单的使用：

下例演示两个线程间传递性的释放获得顺序:

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

std::atomic<std::string*> atom_str(nullptr);
int flag = 0;
void Producer()
{
    std::string* str = new std::string("Hello Byte");
    flag = 1;
    atom_str.store(str, std::memory_order_release);
    return;
}

void Consumer()
{
    std::string* str;
    while (!(str = atom_str.load(std::memory_order_acquire)));

    if (flag != 1)
    {
        // 绝不会执行
        std::cout << "Error..." << std::endl;
    }
    else
    {
        std::cout << str->c_str() << std::endl;
    }

    return;
}


int main()
{
    std::thread t1(Producer);
    std::thread t2(Consumer);

    t1.join();
    t2.join();

    if (atom_str.load() != nullptr)
    {
        delete atom_str.load();
    }

    return EXIT_SUCCESS;
}

下例演示三个线程间传递性的释放获得顺序:

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

std::vector<int> data;
std::atomic<int> flag(0);
void Producer()
{
    data.push_back(42);
    flag.store(1, std::memory_order_release);
    return;
}

void Broker() {
    int expected = 1;
    while (!flag.compare_exchange_strong(expected, 2, std::memory_order_acq_rel)) 
    {
        expected = 1;
    }
};

void Consumer()
{
    while (flag.load(std::memory_order_acquire) < 2);

    if (data[0] != 42)
    {
        // 绝不会执行
        std::cout << "False..." << std::endl;
    }
    else
    {
        std::cout << "True..." << std::endl;
    }

    return;
}

int main()
{
    std::thread t1(Producer);
    std::thread t2(Broker);
    std::thread t3(Consumer);

    t1.join();
    t2.join();
    t3.join();

    return EXIT_SUCCESS;
}

原文链接: https://www.cnblogs.com/airchip/p/16390681.html

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