原子操作和原子类型

原子操作和原子类型

原子操作是不可分割的操作，任何线程不会观察到操作“中间态”。如果读取操作是原子的，那么读取到的值要么是初始值，要么是某次完整修改后的值。 非原子操作可能出现“半完成”状态，导致数据竞争和未定义行为。

标准原子类型

• 标准原子类型定义在 <atomic> 中，操作都是原子的。
• is_lock_free()成员函数用于查询该原子类型是否使用无锁实现：
  • true 表示无锁，直接用硬件原子指令实现；
  • false 表示内部可能用互斥锁实现。
• C++17引入 is_always_lock_free 静态常量，编译期表示是否无锁。
• 相关宏（如 ATOMIC_INT_LOCK_FREE）表示平台上该原子类型是否无锁：
  • 0：有锁实现；
  • 1：运行时判断是否无锁；
  • 2：无锁实现。

std::atomic_flag

• 唯一保证无锁的原子类型；
• 只能初始化为“清除”状态，使用宏 ATOMIC_FLAG_INIT 初始化；
• 提供两个操作：
  • clear(memory_order)：清除标志；
  • test_and_set(memory_order)：设置标志并返回之前的值。
• 用于实现自旋锁：

class spinlock_mutex
{
  std::atomic_flag flag;
public:
  spinlock_mutex() : flag(ATOMIC_FLAG_INIT) {}
  void lock() {
    while(flag.test_and_set(std::memory_order_acquire));
  }
  void unlock() {
    flag.clear(std::memory_order_release);
  }
};

std::atomic<bool>

• 比atomic_flag功能更全；
• 可以用非原子bool构造和赋值：

std::atomic<bool> b(true);
b = false;

• 提供操作：
  • load(memory_order)
  • store(value, memory_order)
  • exchange(new_value, memory_order)
  • compare_exchange_weak(expected, desired, success_order, failure_order)
  • compare_exchange_strong(expected, desired, success_order, failure_order)
• compare_exchange_weak 可能出现伪失败(spurious failure)，通常与循环配合使用：

bool expected = false;
while (!b.compare_exchange_weak(expected, true) && !expected) {
  // 循环直到成功或预期值不符
}

• compare_exchange_strong 无伪失败，直接返回是否成功。

std::atomic<T*>（原子指针）

支持指针的原子操作：

• load(), store(), exchange(), compare_exchange_weak(), compare_exchange_strong()；
• 指针加减操作：fetch_add(), fetch_sub()，支持 +=, -=, ++, --；

示例：

class Foo {};
Foo arr[5];
std::atomic<Foo*> p(arr);
Foo* x = p.fetch_add(2);  // p 指向 arr[2]，返回原值 arr
assert(x == arr);
assert(p.load() == &arr[2]);
x = (p -= 1);             // p 指向 arr[1]，返回 arr[1]
assert(x == &arr[1]);
assert(p.load() == &arr[1]);

标准原子整型操作

除了 load(), store(), exchange(), compare_exchange_weak() 和 compare_exchange_strong() 外，还支持：

• fetch_add(), fetch_sub()
• fetch_and(), fetch_or(), fetch_xor()
• 复合赋值：+=, -=, &=, |=, ^=
• 自增自减：++, --

std::atomic<> 类模板（用户自定义类型）

• 可以使用自定义类型 T 实例化 std::atomic<T>，前提：
  • 类型 T 有编译器生成的拷贝赋值运算符；
  • 无虚函数、无虚基类；
  • 所有成员均支持拷贝赋值。
• 其实现通常是基于内置类型的字节比较（memcmp），并使用内部锁保护原子操作（大多数平台不支持无锁自定义类型）。
• 可能的操作只限于 load(), store(), exchange(), compare_exchange_weak(), compare_exchange_strong()。
• 不支持复杂操作或其他运算符重载。
• 例子：不支持 std::atomic<std::vector<int>>，因为其操作复杂。
• 浮点类型虽然可以使用，但比较操作可能因不同表示（如NaN等）出现意外行为。

每一个原子类型所能使用的操作：

原子操作的非成员函数

• C语言兼容的接口，如 std::atomic_load(&a), std::atomic_store(&a, val) 等。
• 这些非成员函数对应成员函数，增加了兼容性。
• std::atomic_compare_exchange_weak() 和 std::atomic_compare_exchange_strong() 参数不同，第一个参数是指针，第二个是预期值指针。
• std::atomic_flag 的非成员函数如 std::atomic_flag_test_and_set() 等也支持显式内存序。

针对智能指针的原子操作

• C++ 标准库允许对 std::shared_ptr<> 进行原子操作：
  • 不是原子类型，但提供 std::atomic_load(), std::atomic_store(), std::atomic_exchange(), std::atomic_compare_exchange() 等。
• 这打破了“只有原子类型才有原子操作”的原则，但保证了 shared_ptr 线程安全。

示例：

std::shared_ptr<my_data> p;

void process_global_data() {
  std::shared_ptr<my_data> local = std::atomic_load(&p);
  process_data(local);
}

void update_global_data() {
  std::shared_ptr<my_data> local(new my_data);
  std::atomic_store(&p, local);
}

小结

• 原子操作避免了数据竞争和未定义行为。
• 标准库提供了多种原子类型，满足基本整型、指针、布尔和用户自定义类型的需求。
• std::atomic_flag 适合实现简单的自旋锁。
• std::atomic<bool> 提供布尔原子操作，支持比较交换等。
• std::atomic<T*> 支持指针原子操作和指针算术。
• 对于用户自定义类型，原子支持有限，通常基于内部锁。
• 原子操作支持不同内存序，下一节5.3详述内存序的影响。
• 标准库还提供了与原子操作兼容的非成员函数，支持C语言兼容接口。
• 智能指针也有对应的原子操作，保证线程安全访问。