C语言- 原子操作
基本概念
在C语言(尤其是C11标准之后)中,原子操作提供了一种机制,使得程序员可以在并发环境中,不使用互斥或其他同步原语,而直接对数据进行操作,同时确保数据的完整性和一致性。
原子变量和原子操作的核心思想是:无论什么时候,只有一个线程能够看到变量的修改操作。这种修改要么完全发生,要么完全不发生,没有中间状态。因此,这可以避免诸如“脏读”这样的并发问题。
原子类型
C11引入了<stdatomic.h>头文件,其中定义了各种原子类型,例如:
- atomic_int
- atomic_long
- atomic_bool
等等。
原子操作
对这些原子类型的变量进行操作时,可以使用以下原子操作函数:
atomic_store:原子存储值。atomic_load:原子读取值。atomic_fetch_add:原子增加。atomic_fetch_sub:原子减少。atomic_exchange:原子交换值。atomic_compare_exchange_strong和atomic_compare_exchange_weak:原子比较和交换。
这些操作确保在并发环境中,对原子变量的读取和修改是安全的。
内存顺序
为了实现高效的并发操作,现代硬件提供了各种各样的内存访问和指令执行的乱序(out-of-order)技术。这可能导致在不同的核或线程上观察到不同的指令和内存访问顺序。为了管理这种复杂性,<stdatomic.h>提供了不同的内存顺序选项:
memory_order_relaxed:放松的内存顺序,没有同步或顺序需求。memory_order_acquire:在相关的原子操作前不会有内存重排序。memory_order_release:在相关的原子操作后不会有内存重排序。memory_order_acq_rel:同时具有acquire和release语义。memory_order_seq_cst:为所有原子操作提供完整的序列一致性。
选择合适的内存顺序对于确保并发程序的正确性和性能至关重要。
总之,原子操作为C程序员提供了一种在高度并发的环境中对数据进行高效、安全操作的方法,无需使用复杂的同步原语。然而,正确和高效地使用原子操作需要对内存模型、内存顺序和硬件的实际行为有深入的了解。
原子类型
atomic_int
atomic_int 是 C11 和 C++11 标准库中提供的原子类型。它是专门为 int 类型设计的原子版本,用于在多线程环境中确保对 int 类型的变量进行的操作是原子的,从而避免数据竞争和其他相关的并发问题。
1. 定义:
在 C11 中,atomic_int 是一个原子整数类型。在 C++11 中,它被定义为 std::atomic<int>。
2. 特性:
- 原子性: 对
atomic_int的操作(如递增、递减、存储和加载)是原子的,这意味着当一个线程对其进行操作时,其他线程不能同时对其进行操作。 - 内存序:
atomic_int操作通常与特定的内存序关联,这些内存序定义了操作的可见性和顺序。例如,一个线程在某个atomic_int上执行的写操作何时对另一个线程可见。 - 无锁:
atomic_int的实现通常是无锁的,尽管具体实现可能取决于平台和硬件支持。无锁实现通常比使用互斥锁或其他同步原语更高效。
3. 常见操作:
以下是可以在 atomic_int 上执行的一些原子操作:
- load: 获取变量的当前值。
- store: 设置变量的值。
- fetch_add: 增加变量的值并返回旧值。
- fetch_sub: 减少变量的值并返回旧值。
- exchange: 设置变量的值并返回旧值。
- compare_exchange_strong 和 compare_exchange_weak: 条件性地设置变量的值。
4. 示例:
#include <stdatomic.h>
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>atomic_int counter = 0;void* increment(void* arg) {for (int i = 0; i < 1000; ++i) {atomic_fetch_add(&counter, 1);}return NULL;
}int main() {pthread_t threads[10];for (int i = 0; i < 10; i++) {pthread_create(&threads[i], NULL, increment, NULL);}for (int i = 0; i < 10; i++) {pthread_join(threads[i], NULL);}printf("Counter: %d\n", atomic_load(&counter));return 0;
}
在上述示例中,我们使用 atomic_int 作为计数器,启动了 10 个线程,每个线程都增加计数器 1000 次。使用 atomic_int 确保在并发环境中对计数器的所有操作都是原子的。
总之,atomic_int 是一种线程安全的整数类型,它提供了一系列原子操作,使得多个线程可以同时而安全地访问和修改其值,无需担心数据竞争或其他并发问题。
atomic_bool
atomic_bool 是 C11 和 C++11 标准库中提供的原子类型,专为布尔类型设计。这意味着在多线程环境下,对一个 atomic_bool 类型的变量进行的操作是原子性的,这在确保线程安全性和避免数据竞争时非常有价值。
1. 定义:
在 C11 中,atomic_bool 是一个原子布尔类型。在 C++11 中,它被定义为 std::atomic<bool>。
2. 特性:
-
原子性: 对
atomic_bool的操作(如存储、加载、逻辑运算)是原子的。这意味着在任何给定时刻,只有一个线程可以对它进行操作,而其他线程不能看到该操作的中间状态。 -
内存序:
atomic_bool提供了与特定的内存序关联的操作。这些内存序定义了操作的可见性和顺序,例如一个线程执行的写操作何时对另一个线程可见。 -
无锁: 在大多数平台上,
atomic_bool的实现是无锁的。具体的实现可能会根据平台和硬件支持而变化,但无锁实现通常比使用互斥锁或其他同步原语更高效。
3. 常见操作:
以下是可以在 atomic_bool 上执行的一些原子操作:
- load: 获取变量的当前值。
- store: 设置变量的值。
- exchange: 设置变量的值并返回旧值。
- compare_exchange_strong 和 compare_exchange_weak: 条件性地设置变量的值。
4. 示例:
#include <stdatomic.h>
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>atomic_bool flag = ATOMIC_VAR_INIT(false);void* set_flag(void* arg) {atomic_store(&flag, true);return NULL;
}int main() {pthread_t thread;pthread_create(&thread, NULL, set_flag, NULL);pthread_join(thread, NULL);bool is_set = atomic_load(&flag);printf("Flag is %s\n", is_set ? "set" : "not set");return 0;
}
在上述示例中,我们使用 atomic_bool 作为一个标志,并启动了一个线程来设置这个标志。使用 atomic_bool 确保了在并发环境中对标志的所有操作都是原子的。
总之,atomic_bool 提供了一个线程安全的方式来操作布尔变量,在并发编程中非常有用,特别是当需要确保对变量的操作是原子的时候。
原子操作
atomic_store
atomic_store 是C11标准中提供的一组原子操作函数,用于存储一个值到一个原子变量,确保这个操作是原子的,即在操作期间不会被其他线程中断。这种保证有助于防止在并发环境中出现数据竞争和不一致状态。
1. 声明:
原型为:
void atomic_store(volatile A *obj, C desired);
其中,
A必须是原子类型。obj是要进行操作的原子对象的指针。desired是要存储到原子对象的值。
2. 描述:
atomic_store 将 desired 的值原子地存储到 *obj
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