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。

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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。

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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