C++11 并發(fā)指南六(atomic 類型詳解一 atomic

wtkc 2014-11-20

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C++11 并發(fā)指南已經(jīng)寫了 5 章，前五章重點介紹了多線程編程方面的內(nèi)容，但大部分內(nèi)容只涉及多線程、互斥量、條件變量和異步編程相關(guān)的 API，C++11 程序員完全可以不必知道這些 API 在底層是如何實現(xiàn)的，只需要清楚 C++11 多線程和異步編程相關(guān) API 的語義，然后熟加練習(xí)即可應(yīng)付大部分多線程編碼需求。但是在很多極端的場合下為了性能和效率，我們需要開發(fā)一些 lock-free 的算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，前面幾章的內(nèi)容可能就派不上用場了，因此從本文開始介紹 C++11 標(biāo)準(zhǔn)中 <atomic> 頭文件里面的類和相關(guān)函數(shù)。

本文介紹 <atomic> 頭文件中最簡單的原子類型: atomic_flag。atomic_flag 一種簡單的原子布爾類型，只支持兩種操作，test-and-set 和 clear。

std::atomic_flag 構(gòu)造函數(shù)

std::atomic_flag 構(gòu)造函數(shù)如下：

atomic_flag() noexcept = default;
atomic_flag (const atomic_flag&T) = delete;

std::atomic_flag 只有默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)，拷貝構(gòu)造函數(shù)已被禁用，因此不能從其他的 std::atomic_flag 對象構(gòu)造一個新的 std::atomic_flag 對象。

如果在初始化時沒有明確使用 ATOMIC_FLAG_INIT初始化，那么新創(chuàng)建的 std::atomic_flag 對象的狀態(tài)是未指定的（unspecified）（既沒有被 set 也沒有被 clear。）另外，atomic_flag不能被拷貝，也不能 move 賦值。

ATOMIC_FLAG_INIT: 如果某個 std::atomic_flag 對象使用該宏初始化，那么可以保證該 std::atomic_flag 對象在創(chuàng)建時處于 clear 狀態(tài)。

下面先看一個簡單的例子，main() 函數(shù)中創(chuàng)建了 10 個線程進(jìn)行計數(shù)，率先完成計數(shù)任務(wù)的線程輸出自己的 ID，后續(xù)完成計數(shù)任務(wù)的線程不會輸出自身 ID：

#include <iostream>              // std::cout
#include <atomic>                // std::atomic, std::atomic_flag, ATOMIC_FLAG_INIT
#include <thread>                // std::thread, std::this_thread::yield
#include <vector>                // std::vector

std::atomic<bool> ready(false);    // can be checked without being set
std::atomic_flag winner = ATOMIC_FLAG_INIT;    // always set when checked

void count1m(int id)
{
    while (!ready) {
        std::this_thread::yield();
    } // 等待主線程中設(shè)置 ready 為 true.

    for (int i = 0; i < 1000000; ++i) {
    } // 計數(shù).

    // 如果某個線程率先執(zhí)行完上面的計數(shù)過程，則輸出自己的 ID.
    // 此后其他線程執(zhí)行 test_and_set 是 if 語句判斷為 false，
    // 因此不會輸出自身 ID.
    if (!winner.test_and_set()) {
        std::cout << "thread #" << id << " won!\n";
    }
};

int main()
{
    std::vector<std::thread> threads;
    std::cout << "spawning 10 threads that count to 1 million...\n";
    for (int i = 1; i <= 10; ++i)
        threads.push_back(std::thread(count1m, i));
    ready = true;

    for (auto & th:threads)
        th.join();

    return 0;
}

多次執(zhí)行結(jié)果如下：

atomic ) ./Atomic-Flag1 
spawning 10 threads that count to 1 million...
thread #6 won!
atomic ) ./Atomic-Flag1 
spawning 10 threads that count to 1 million...
thread #1 won!
atomic ) ./Atomic-Flag1 
spawning 10 threads that count to 1 million...
thread #5 won!
atomic ) ./Atomic-Flag1 
spawning 10 threads that count to 1 million...
thread #1 won!
atomic ) ./Atomic-Flag1 
spawning 10 threads that count to 1 million...
thread #1 won!
atomic ) ./Atomic-Flag1 
spawning 10 threads that count to 1 million...
thread #10 won!

std::atomic_flag::test_and_set 介紹

std::atomic_flag 的 test_and_set 函數(shù)原型如下：

bool test_and_set (memory_order sync = memory_order_seq_cst) volatile noexcept;
bool test_and_set (memory_order sync = memory_order_seq_cst) noexcept;

test_and_set() 函數(shù)檢查 std::atomic_flag 標(biāo)志，如果 std::atomic_flag 之前沒有被設(shè)置過，則設(shè)置 std::atomic_flag 的標(biāo)志，并返回先前該 std::atomic_flag 對象是否被設(shè)置過，如果之前 std::atomic_flag 對象已被設(shè)置，則返回 true，否則返回 false。

test-and-set 操作是原子的（因此 test-and-set 是原子 read-modify-write （RMW）操作）。

test_and_set 可以指定 Memory Order(后續(xù)的文章會詳細(xì)介紹 C++11 的 Memory Order，此處為了完整性列出 test_and_set 參數(shù) sync 的取值)，取值如下：

Memory Order 值	Memory Order 類型
`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

一個簡單的例子：

#include <iostream>                // std::cout
#include <atomic>                // std::atomic_flag
#include <thread>                // std::thread
#include <vector>                // std::vector
#include <sstream>                // std::stringstream

std::atomic_flag lock_stream = ATOMIC_FLAG_INIT;
std::stringstream stream;

void append_number(int x)
{
    while (lock_stream.test_and_set()) {
    }
    stream << "thread #" << x << '\n';
    lock_stream.clear();
}

int main()
{
    std::vector < std::thread > threads;
    for (int i = 1; i <= 10; ++i)
        threads.push_back(std::thread(append_number, i));
    for (auto & th:threads)
        th.join();

    std::cout << stream.str() << std::endl;;
    return 0;
}

執(zhí)行結(jié)果如下：

thread #1
thread #2
thread #3
thread #4
thread #5
thread #6
thread #7
thread #8
thread #9
thread #10

std::atomic_flag::clear() 介紹

清除 std::atomic_flag 對象的標(biāo)志位，即設(shè)置 atomic_flag 的值為 false。clear 函數(shù)原型如下：

void clear (memory_order sync = memory_order_seq_cst) volatile noexcept;
void clear (memory_order sync = memory_order_seq_cst) noexcept;

清除 std::atomic_flag 標(biāo)志使得下一次調(diào)用 std::atomic_flag::test_and_set 返回 false。

std::atomic_flag::clear() 可以指定 Memory Order(后續(xù)的文章會詳細(xì)介紹 C++11 的 Memory Order，此處為了完整性列出 clear 參數(shù) sync 的取值)，取值如下：

Memory Order 值	Memory Order 類型
`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

結(jié)合 std::atomic_flag::test_and_set() 和 std::atomic_flag::clear()，std::atomic_flag 對象可以當(dāng)作一個簡單的自旋鎖使用，請看下例：

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

std::atomic_flag lock = ATOMIC_FLAG_INIT;

void f(int n)
{
    for (int cnt = 0; cnt < 100; ++cnt) {
        while (lock.test_and_set(std::memory_order_acquire))  // acquire lock
             ; // spin
        std::cout << "Output from thread " << n << '\n';
        lock.clear(std::memory_order_release);               // release lock
    }
}

int main()
{
    std::vector<std::thread> v;
    for (int n = 0; n < 10; ++n) {
        v.emplace_back(f, n);
    }
    for (auto& t : v) {
        t.join();
    }
}

在上面的程序中，std::atomic_flag 對象 lock 的上鎖操作可以理解為 lock.test_and_set(std::memory_order_acquire); (此處指定了 Memory Order，更多有關(guān) Memory Order 的概念，我會在后續(xù)的文章中介紹)，解鎖操作相當(dāng)與 lock.clear(std::memory_order_release)。

在上鎖的時候，如果 lock.test_and_set 返回 false，則表示上鎖成功（此時 while 不會進(jìn)入自旋狀態(tài)），因為此前 lock 的標(biāo)志位為 false(即沒有線程對 lock 進(jìn)行上鎖操作)，但調(diào)用 test_and_set 后 lock 的標(biāo)志位為 true，說明某一線程已經(jīng)成功獲得了 lock 鎖。

如果在該線程解鎖（即調(diào)用 lock.clear(std::memory_order_release)）之前，另外一個線程也調(diào)用 lock.test_and_set(std::memory_order_acquire) 試圖獲得鎖，則 test_and_set(std::memory_order_acquire) 返回 true，則 while 進(jìn)入自旋狀態(tài)。如果獲得鎖的線程解鎖（即調(diào)用了 lock.clear(std::memory_order_release)）之后，某個線程試圖調(diào)用 lock.test_and_set(std::memory_order_acquire) 并且返回 false，則 while 不會進(jìn)入自旋，此時表明該線程成功地獲得了鎖。

按照上面的分析，我們知道在某種情況下 std::atomic_flag 對象可以當(dāng)作一個簡單的自旋鎖使用。