C++并发编程 - 原子操作

开源519

发布于 2022-12-01 16:10:10

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发布于 2022-12-01 16:10:10

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C++并发编程 - 原子操作

❝所谓原子操作是指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 context switch（切换到另一个线程）。--百度百科 ❞

原子操作可以保证正在进行的动作不被打断，即一旦开始，持续结束。对比互斥锁其优势在于，原子操作在C/C++的层面，是无锁操作，其既能解决并发问题又不会导致死锁。

原理

先说明一下，非原子操作。从开始执行到结束的过程中，可能会被其他任务打断的操作，就称为非原子操作。假如，多个任务操作的不是同一块内存，不会存在问题；如若操作了同一块内存，就可能引起很严重且难以排查的bug。

在X86平台，CPU提供了在指令执行期间对总线加锁的手段。CPU上有一根引线#HLOCK pin连到北桥，如果汇编语言的程序中在一条指令前面加上前缀“LOCK”，经过汇编以后的机器代码就使CPU在执行这条指令的时候把#HLOCK pin的电位拉低，持续到这条指令结束时放开，从而把总线锁住，这样同一总线上别的CPU就暂时不能通过总线访问内存了，保证了这条指令在多处理器环境中的原子性。

使用场景

在多线程的代码中，同时操作一个普通的变量，经过测试，会存在某些严重的bug。

void value_add_test()
{
  int shareValue = 0;

  auto f = [&](const char *name, int idx) {
      for (int i = 0; i < 10000; i++) {
          ++shareValue;
          usleep(5);          // 使多个线程相互切换
          LOG("%s%d: shareValue %d\n", name, idx, shareValue);
      }
  };

  for (int i = 0; i < 100; i++)
  {
      aThreads[i] = std::thread(f, "thread", i);
  }

  for (int j = 0; j < 100; j++)
  {
      aThreads[j].join();
  }

  LOG("shareValue: %d\n", shareValue);
}

执行结果

... // 省略
thread96: shareValue 999839
thread96: shareValue 999840
thread96: shareValue 999841
thread96: shareValue 999842
shareValue: 999842

预期执行完毕i的值为1000000，但在Ubuntu20.04.1的版本上执行的结果为999842(计算结果不固定)。

分析原因：++shareValue在汇编中分为三步：读取数据；shareValue加1；将shareValue值写入内存。可能会存在某个线程在进行第二步的同时，其他线程执行第三步或者第一步就造成了值的混乱。

「解决方法」：可通过互斥锁或者原子操作解决。相对于互斥锁，原子操作的使用更为方便，只需要将操作的变量声明为原子操作即可。

void value_add_test()
{
  std::atomic<int> atomicValue(0);

  auto f = [&](const char *name, int idx) {
      for (int i = 0; i < 10000; i++) {
          ++atomicValue;
          usleep(5);          // 使多个线程相互切换
          LOG("%s%d: atomicValue %d\n", name, idx, atomicValue.load());
      }
  };

  for (int i = 0; i < 100; i++)
  {
      aThreads[i] = std::thread(f, "thread", i);
  }

  for (int j = 0; j < 100; j++)
  {
      aThreads[j].join();
  }

  LOG("atomicValue: %d\n", atomicValue.load());
}

执行结果

... //省略
thread84: atomicValue 999996
thread84: atomicValue 999997
thread84: atomicValue 999998
thread84: atomicValue 999999
thread84: atomicValue 1000000
atomicValue: 1000000

把普通变量用原子变量替换后，其值就正确了。本例使用的std::atomic<int>，其支持++、--操作。其他类型的原子变量可能不支持此操作。