C++11中的原子量和内存序详解

什么是原子量？

在多线程编程中，有一个非常重要的概念就是“原子操作”。简单来说，原子操作就是指这个操作一旦开始执行，就不会被其他线程打断，直到完成为止。多个线程同时操作同一个内存地址时，可能会产生竞争，导致数据不一致的问题。当使用原子操作时，可以保证对这个内存地址的操作都是原子级别，不会被打断。

在C++11标准中，增加了一些原子操作类型，即“原子量”（Atomics）。这些类型包括了多个类型，例如atomic_bool, atomic_int, atomic_uint等，可用于保证多线程下对值的读写的原子性，是异步编程中最常见的同步手段之一。

原子量的基本操作

• load()：获取值
• store()：设置值
• exchange()：交换值
• compare_exchange_strong()：比较并交换，如果目标值与所比较的值相等，则将目标值替换为新值，并返回true；否则返回false
• compare_exchange_weak()：与compare_exchange_strong()类似，但是如果在比较和交换的过程中发生竞争，可能会产生一些意外的结果

下面是一些示例代码，展示了如何使用原子量来实现简单的计数器：

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

std::atomic<int> counter(0);

void increaseCounter() {
    for (int i = 0; i < 100; i++) {
        counter++;
    }
}

int main() {
    std::thread t1(increaseCounter);
    std::thread t2(increaseCounter);

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

    std::cout << "Counter value is: " << counter << std::endl;
    return 0;
}

在上面的示例中，我们定义了一个原子整型计数器。两个线程分别对计数器进行100次自增操作。在主线程中，我们使用cout输出计数器的最终值。由于原子操作的保证，最终输出的结果应该是200（每个线程自增了100次）。

内存序

另一个重要的概念是“内存序”（Memory Order）。内存序定义了原子操作对于多个线程的可见性。在默认情况下，原子操作使用的内存序是memory_order_seq_cst（顺序一致性内存序）。

除了默认的memory_order_seq_cst，C++11还定义了一些其他的内存序类型：

• memory_order_relaxed：弱内存序，对其他线程没有影响，只保证当前线程操作的原子性
• memory_order_acquire：强制执行当前线程对于原子变量的读操作，使得其他线程先于当前线程执行写操作的值对于当前线程可见
• memory_order_release：强制执行当前线程对于原子变量的写操作，使得当前线程所写的值对其他线程可见
• memory_order_acq_rel：同时具有acquire和release内存序，通常用于原子变量的交换操作

下面是一些示例代码，展示了如何在原子操作中使用内存序：

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

std::atomic<int> data(0);
std::atomic<bool> ready(false);

void provider() {
    data = 42;
    ready.store(true, std::memory_order_release);
}

void consumer() {
    while (!ready.load(std::memory_order_acquire)) {
        std::this_thread::yield();
    }
    std::cout << "Data is: " << data.load(std::memory_order_relaxed) << std::endl;
}

int main() {
    std::thread t1(provider);
    std::thread t2(consumer);

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

    return 0;
}

在上面的示例中，我们定义了一个原子整型变量data和一个原子布尔变量ready。线程provider将data设置为42，并将ready设置为true，使用memory_order_release内存序以确保正确性。线程consumer在不断循环中等待ready为true，使用memory_order_acquire内存序以确保可见性。data的读操作使用memory_order_relaxed内存序，因为不需要保证任何顺序或可见性。

结论

原子量是C++11中的一个非常强大和实用的功能，用于保证多线程下对值的读写的原子性，避免竞争问题。同时，使用内存序可以控制原子操作的可见性，限制竞争情况，保证多线程下的正确性。

通过上面的示例代码，我们可以看到，原子操作可以非常方便地实现多线程编程，并且C++11提供了多种内存序可供选择以满足不同的需求。