1.認(rèn)識原子操作

原子操作就是在多線程程序中“最小的且不可并行化的”操作，意味著多個(gè)線程訪問同一個(gè)資源時(shí)，有且僅有一個(gè)線程能對資源進(jìn)行操作。通常情況下原子操作可以通過互斥的訪問方式來保證，例如Linux下的互斥鎖（mutex），Windows下的臨界區(qū)（Critical Section）等。下面看一個(gè)Linux環(huán)境使用POSIX標(biāo)準(zhǔn)的pthread庫實(shí)現(xiàn)多線程下的原子操作：

#include <pthread.h>
#include <iostream>
using namespace std;

int64_t total=0;
pthread_mutex_t m=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

//線程函數(shù)，用于累加
void* threadFunc(void* args)
{
  int64_t endNum=*(int64_t*)args;
  for(int64_t i=1;i<=endNum;++i)
  {
    pthread_mutex_lock(&m);
    total+=i;
    pthread_mutex_unlock(&m);
  }
}

int main()
{
  int64_t endNum=100;
  pthread_t thread1ID=0,thread2ID=0;
  
  //創(chuàng)建線程1
  pthread_create(&thread1ID,NULL,threadFunc,&endNum);
  //創(chuàng)建線程2
  pthread_create(&thread2ID,NULL,threadFunc,&endNum);
  
  //阻塞等待線程1結(jié)束并回收資源
  pthread_join(thread1ID,NULL);
  //阻塞等待線程2結(jié)束并回收資源
  pthread_join(thread2ID,NULL);

  cout<<"total="<<total<<endl;	//10100
}

上面的代碼，兩個(gè)線程同時(shí)對total進(jìn)行操作，為了保證total+=i 的原子性，采用互斥鎖來保證同一時(shí)刻只有同一線程執(zhí)行total+=i操作，所以得出正確結(jié)果total=10100。如果沒有做互斥處理，那么total同一時(shí)刻可能會(huì)被兩個(gè)線程同時(shí)操作，即會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)線程同時(shí)讀取了寄存器中的total值，分別操作之后又寫入寄存器，這樣就會(huì)有一個(gè)線程的增加操作無效，會(huì)得出一個(gè)小于10100隨機(jī)的錯(cuò)誤值。

2.C++11實(shí)現(xiàn)原子操作

在C++11之前，使用第三方API可以實(shí)現(xiàn)并行編程，比如pthread多線程庫，但是在使用時(shí)需要?jiǎng)?chuàng)建互斥鎖，以及進(jìn)行加鎖、解鎖等操作來保證多線程對臨界資源的原子操作，這無疑增加了開發(fā)的工作量。不過從C++11開始，C++從語言層面開始支持并行編程，內(nèi)容包括了管理線程、保護(hù)共享數(shù)據(jù)、線程間的同步操作、低級原子操作等各種類。新標(biāo)準(zhǔn)極大地提高了程序的可移植性，以前的多線程依賴于具體的平臺(tái)，而現(xiàn)在有了統(tǒng)一的接口。

C++11通過引入原子類型幫助開發(fā)者輕松實(shí)現(xiàn)原子操作。

#include <atomic>
#include <thread>
#include <iostream>
using namespace std;

atomic_int64_t total = 0;  //atomic_int64_t相當(dāng)于int64_t，但是本身就擁有原子性

//線程函數(shù)，用于累加
void threadFunc(int64_t endNum)
{
	for (int64_t i = 1; i <= endNum; ++i)
	{
		total += i;
	}
}

int main()
{
	int64_t endNum = 100;
	thread t1(threadFunc, endNum);
	thread t2(threadFunc, endNum);

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

	cout << "total=" << total << endl; //10100
}

程序正常編譯并運(yùn)行輸出正確結(jié)果total=10100。使用C++11提供的原子類型與多線程標(biāo)準(zhǔn)接口，簡潔地實(shí)現(xiàn)了多線程對臨界資源的原子操作。原子類型C++11中通過atomic<T>類模板來定義，比如atomic_int64_t是通過typedef atomic<int64_t> atomic_int64_t實(shí)現(xiàn)的，使用時(shí)需包含頭文件<atomic>。除了提供atomic_int64_t，還提供了其它的原子類型。常見的原子類型有

原子操作是平臺(tái)相關(guān)的，原子類型能夠?qū)崿F(xiàn)原子操作是因?yàn)镃++11對原子類型的操作進(jìn)行了抽象，定義了統(tǒng)一的接口，并要求編譯器產(chǎn)生平臺(tái)相關(guān)的原子操作的具體實(shí)現(xiàn)。C++11標(biāo)準(zhǔn)將原子操作定義為atomic模板類的成員函數(shù)，包括讀（load）、寫（store）、交換（exchange）等。對于內(nèi)置類型而言，主要是通過重載一些全局操作符來完成的。比如對上文total+=i的原子加操作，是通過對operator+=重載來實(shí)現(xiàn)的。使用g++編譯的話，在x86_64的機(jī)器上，operator+=()函數(shù)會(huì)產(chǎn)生一條特殊的以lock為前綴的x86_64指令，用于控制總線及實(shí)現(xiàn)x86_64平臺(tái)上的原子性加法。

有一個(gè)比較特殊的原子類型是atomic_flag，因?yàn)閍tomic_flag與其他原子類型不同，它是無鎖（lock_free）的，即線程對其訪問不需要加鎖，而其他的原子類型不一定是無鎖的。因?yàn)閍tomic<T>并不能保證類型T是無鎖的，另外不同平臺(tái)的處理器處理方式不同，也不能保證必定無鎖，所以其他的類型都會(huì)有is_lock_free()成員函數(shù)來判斷是否是無鎖的。atomic_flag只支持test_and_set()以及clear()兩個(gè)成員函數(shù)，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；如果之前 std::atomic_flag 已被設(shè)置，則返回 true，否則返回 false。clear()函數(shù)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?？梢杂胊tomic_flag的成員函數(shù)test_and_set()和clear()來實(shí)現(xiàn)一個(gè)自旋鎖（spin lock）：

#include <unistd.h>
#include <atomic>
#include <thread>
#include <iostream>

std::atomic_flag lock = ATOMIC_FLAG_INIT;

void func1()
{
	while (lock.test_and_set(std::memory_order_acquire)) // 在主線程中設(shè)置為true，需要等待t2線程clear
 {
  std::cout << "func1 wait" << std::endl;
 }
 std::cout << "func1 do something" << std::endl;
}

void func2()
{
 std::cout << "func2 start" << std::endl;
 lock.clear();
}

int main()
{
 lock.test_and_set();    // 設(shè)置狀態(tài)
 std::thread t1(func1);
 usleep(1);					 	//睡眠1us
 std::thread t2(func2);

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

 return 0;
}

以上代碼中，定義了一個(gè)atomic_flag對象lock，使用初始值A(chǔ)TOMIC_FLAG_INIT進(jìn)行初始化，即處于false的狀態(tài)。線程t1調(diào)用test_and_set()一直返回true（因?yàn)樵谥骶€程中被設(shè)置過），所以一直在等待，而等待一段時(shí)間后當(dāng)線程t2運(yùn)行并調(diào)用了clear()，test_and_set()返回了false退出循環(huán)等待并進(jìn)行相應(yīng)操作。這樣一來，就實(shí)現(xiàn)了一個(gè)線程等待另一個(gè)線程的效果。當(dāng)然，可以封裝成鎖操作的方式，比如：

void Lock(atomic_flag& lock){ while ( lock.test_and_set()); }
void UnLock(atomic_flag& lock){ lock.clear(); }

這樣一來，就可以通過Lock()和UnLock()的方式來互斥地訪問臨界區(qū)。

以上就是詳解C++11原子類型與原子操作的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于C++11原子類型與原子操作的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！