1.什么是原子操作

在多線程環(huán)境下,原子操作是指不會(huì)被線程調(diào)度機(jī)制打斷的操作;這種操作一旦開(kāi)始,就一直運(yùn)行到結(jié)束,中間不會(huì)有任何 context switch (切換到另一個(gè)線程)。

原子操作可以確保某些特定操作在多線程條件下,不會(huì)由于線程切換而導(dǎo)致數(shù)據(jù)污染。比如,對(duì)一個(gè)變量的讀/寫操作,就是一個(gè)常見(jiàn)的需要原子化的場(chǎng)景。如果把這樣的讀/寫操作設(shè)計(jì)成原子操作,就可以避免多線程競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致的數(shù)據(jù)不一致問(wèn)題。

2.++i 是否原子操作

在 C++ 中,對(duì)一個(gè)變量的自增(++)操作看似很簡(jiǎn)單,理論上它包含:

• 讀變量原值
• 對(duì)原值加 1
• 將結(jié)果寫回變量

例如:

int i = 0; 
++i;

但是在多線程環(huán)境下,這三個(gè)步驟如果被打斷,可能導(dǎo)致如下結(jié)果:

• 線程1 讀到i=0
• 線程2也讀到i=0
• 線程1對(duì)i加1并寫入,現(xiàn)在i=1
• 線程2對(duì)i加1并寫入,這時(shí)覆蓋了線程1的寫入,又使得i=1

很明顯,實(shí)際的運(yùn)行次數(shù)是2次,但最終結(jié)果是i=1,這就是數(shù)據(jù)污染的例子。

為了避免上述情況,C++編譯器在編譯過(guò)程中,會(huì)自動(dòng)將一些看似簡(jiǎn)單的操作(例如自增操作)轉(zhuǎn)換為原子指令,從而保證其原子性。

這種特性與具體的編譯器實(shí)現(xiàn)相關(guān),比如主流的GNU編譯器和MSVC編譯器都對(duì)自增操作進(jìn)行了優(yōu)化,確保其原子執(zhí)行。

所以可以認(rèn)為,在絕大多數(shù)C++實(shí)現(xiàn)中,++i這個(gè)自增操作是原子的。但是仍有一些例外情況需要注意,比如在嵌入式平臺(tái)上可能需要開(kāi)發(fā)者顯式指定操作的原子性。

3. 如何保證操作的原子性

在不能依賴編譯器優(yōu)化的情況下,C++11提供了一些方法可以保證操作的原子性:

(1) atomic類型:提供了一些原子類型,對(duì)其操作天然原子

int i = 0; 
++i;

(2) mutex:使用mutex可以在臨界區(qū)內(nèi)執(zhí)行一個(gè)原子塊

std::mutex m;
m.lock();
// critical section
cnt++; 
m.unlock();

(3) lock-free編程:通過(guò)CAS(compare-and-swap)等原子指令實(shí)現(xiàn)非阻塞同步

atomic_int val;
int expect = val.load();
while(!val.compare_exchange_weak(expect, expect + 1)) {
  expect = val.load(); 
} atomic_int val;
int expect = val.load();
while(!val.compare_exchange_weak(expect, expect + 1)) {
  expect = val.load(); 
}

4. 總結(jié)

綜上所述，在大多數(shù)普通的桌面程序和服務(wù)端程序中，++i這樣的自增操作可以看作是原子的，編譯器會(huì)做出優(yōu)化。但是對(duì)于嵌入式開(kāi)發(fā)等要求原子操作顯式控制的場(chǎng)景，C++11提供了一些新的原子類型和同步原語(yǔ)來(lái)保證操作的原子執(zhí)行。