原子操作atomic

我的小卷呀2024-01-16 22:04

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  • [1. 什么是原子操作？](#1. 什么是原子操作？)
    • [1.1 原子操作相关函数](#1.1 原子操作相关函数)
  • [2. 原子变量](#2. 原子变量)
  • [3. 原子变量与普通变量的区别](#3. 原子变量与普通变量的区别)
  • [4. 原子锁的实现](#4. 原子锁的实现)
  • [5. 实例代码](#5. 实例代码)

1. 什么是原子操作？

原子操作是计算机科学中的概念，指的是在执行期间不能被中断的一组操作。在多线程环境中，确保原子操作的执行是不可分割的，要么完全执行，要么完全不执行。这种特性使得在并发编程中更容易管理共享资源，避免竞态条件和数据不一致。

原子操作的概念和实现起源于计算机科学和并发编程的领域。在多核处理器和多线程应用程序普及之前，原子操作并不是那么重要。然而，随着硬件的发展和计算机体系结构的演变，原子操作成为处理并发和保证数据一致性的关键工具。

C语言引入原子操作的头文件 <stdatomic.h> 是在 C11 标准中的一项重要改进。它提供了一套通用的原子类型和原子操作函数，为程序员提供了更直接、更高效的多线程编程工具。在此之前，一些编译器提供了自己的原子操作扩展，但它们通常是非标准的。

在C语言中，原子操作通常通过 <stdatomic.h> 头文件中定义的原子操作函数来实现。这些函数提供了一组能够确保原子性的操作，如比较交换、加法、减法等。

c 复制代码 
#include <stdatomic.h>

atomic_int my_atomic_variable = ATOMIC_VAR_INIT(0);

void increment_atomic_variable() {
    atomic_fetch_add(&my_atomic_variable, 1);
}

1.1 原子操作相关函数

在 C 语言中，<stdatomic.h> 提供了一系列原子操作函数，用于对原子变量执行操作。这些原子操作函数包括带有 __ 前缀和不带有 __ 前缀的两种版本。下面是一些常见的原子操作函数及其区别的示例：

  1. 带有 __ 前缀的原子操作函数：

__atomic_load / __atomic_store：

  • 作用： 分别用于加载和存储原子变量的值。
  • __atomic_load 用于加载，返回原子变量的当前值；__atomic_store 用于存储，将原子变量设置为指定的值。
c 复制代码 
#include <stdatomic.h>

atomic_int my_atomic_variable = ATOMIC_VAR_INIT(42);

int loaded_value = __atomic_load(&my_atomic_variable, __ATOMIC_RELAXED);
__atomic_store(&my_atomic_variable, 100, __ATOMIC_RELAXED);

__atomic_exchange：

  • 作用： 原子地将原子变量的值与给定值进行交换。
  • 返回交换前的原子变量值。
c 复制代码 
int previous_value = __atomic_exchange(&my_atomic_variable, 55, __ATOMIC_RELAXED);
  1. 不带有 __ 前缀的原子操作函数：

atomic_load / atomic_store：

  • 作用： 分别用于加载和存储原子变量的值。
  • atomic_load 用于加载，返回原子变量的当前值；atomic_store 用于存储，将原子变量设置为指定的值。
c 复制代码 
#include <stdatomic.h>

atomic_int my_atomic_variable = ATOMIC_VAR_INIT(42);

int loaded_value = atomic_load(&my_atomic_variable);
atomic_store(&my_atomic_variable, 100);

atomic_exchange：

  • 作用： 原子地将原子变量的值与给定值进行交换。
  • 返回交换前的原子变量值。
c 复制代码 
int previous_value = atomic_exchange(&my_atomic_variable, 55);

  1. 命名方式： 带有 __ 前缀的函数更加底层，使用的是原子类型的操作，更接近硬件级别的实现。不带有 __ 前缀的函数是对带有 __ 前缀的函数的封装，更易用但可能效率稍低。

  2. 可移植性： 不带有 __ 前缀的函数更符合 C 标准，因此具有更好的可移植性。带有 __ 前缀的函数可能依赖于具体的编译器实现。

在实际使用中，可以根据具体需求和平台选择适合的函数。通常情况下，不带有 __ 前缀的函数已经足够满足大多数需求，而且更具可移植性。

2. 原子变量

原子变量是一种特殊的变量类型，它在多线程环境中能够进行原子操作。C11 标准引入了 <stdatomic.h> 头文件，通过 atomic 关键字，我们可以声明原子变量。原子变量通过原子操作函数确保了对它们的操作是原子的，防止了竞态条件。

c 复制代码 
#include <stdatomic.h>

atomic_int my_atomic_variable = ATOMIC_VAR_INIT(0);

ATOMIC_VAR_INIT 是一个宏，用于初始化原子变量。这个宏接受一个参数，将其用作原子变量的初始值。在上述例子中，ATOMIC_VAR_INIT(0) 的作用是将一个整数值 0 用作 atomic_int 类型的原子变量的初始值。

在 <stdatomic.h> 头文件中，原子类型的初始化通常可以使用 ATOMIC_VAR_INIT 宏，它的定义可能类似于以下方式：

c 复制代码 
#define ATOMIC_VAR_INIT(value) (value)

这个宏的本质是一个简单的宏，它接受一个值并将其返回。在 C 语言中，结构体和数组等类型的初始化通常需要使用特定的语法，但对于原子变量，可以使用 ATOMIC_VAR_INIT 来简化初始化过程。

在代码中，ATOMIC_VAR_INIT(0) 将 0 作为初始值传递给 atomic_int 类型的原子变量 atomic_variable。这是一种方便的初始化原子变量的方式。

3. 原子变量与普通变量的区别

与普通变量相比，原子变量提供了更强的同步保证。在多线程环境中，普通变量的读写可能发生竞态条件，而原子变量通过原子操作函数确保了操作的原子性。这种保证使得在并发环境中更容易编写线程安全的代码。

c 复制代码 
int common_variable = 0; // 普通变量
atomic_int atomic_variable = ATOMIC_VAR_INIT(0); // 原子变量

原子变量的存储位置通常由编译器和程序的具体实现决定，而不是由原子变量本身决定。这些与普通变量一致。原子变量可以存储在堆区、栈区或全局区，具体取决于它们的声明位置和作用域。

  1. 全局区/静态存储区： 如果原子变量是在全局作用域声明，或者使用 static 关键字在函数内部声明，它们通常被分配在全局区或静态存储区。这意味着它们在程序的整个生命周期内存在。

    c 复制代码 
    #include <stdatomic.h>

atomic_int global_atomic_variable = ATOMIC_VAR_INIT(0);

int main() {
    // ...
    return 0;
}

  2. 堆区： 如果原子变量是通过动态内存分配函数（如 malloc、calloc 等）在堆上分配的，那么它们将存储在堆区。这通常涉及到使用指针管理原子变量。

    c 复制代码 
    #include <stdatomic.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    atomic_int *heap_atomic_variable = malloc(sizeof(atomic_int));
    *heap_atomic_variable = ATOMIC_VAR_INIT(0);

    // ...

    free(heap_atomic_variable); // 记得释放内存
    return 0;
}

  3. 栈区： 如果原子变量是在函数内部声明且没有使用 static 关键字，它们通常被分配在栈上。这意味着它们的生命周期受限于函数的执行期间。

    c 复制代码 
    #include <stdatomic.h>

void someFunction() {
    atomic_int local_atomic_variable = ATOMIC_VAR_INIT(0);

    // ...
}

int main() {
    someFunction();
    return 0;
}

总的来说，原子变量的存储位置与普通变量类似，取决于它们的声明方式和作用域。原子操作主要关注于对变量的原子性操作，而不是变量的存储位置。

4. 原子锁的实现

原子锁是一种同步机制，用于确保在同一时刻只有一个线程能够进入临界区。自旋锁是一种常见的原子锁，它使用忙等待的方式来获取锁。

c 复制代码 
#include <stdatomic.h>

typedef struct {
    atomic_flag flag;
} spinlock_t;

void spinlock_lock(spinlock_t *lock) {
    while (atomic_flag_test_and_set(&lock->flag)) {
        // 在这里可以进行自旋等待或者调用 __mm_pause() 以提高性能
    }
}

void spinlock_unlock(spinlock_t *lock) {
    atomic_flag_clear(&lock->flag);
}

atomic_flag_test_and_set 是 C11 标准中定义的原子操作函数。它用于原子地测试并设置一个 atomic_flag，通常用于实现自旋锁或其他类似的同步机制。

以下是 atomic_flag_test_and_set 的函数原型：

c 复制代码 
_Bool atomic_flag_test_and_set(volatile atomic_flag *flag);
  • flag 是一个指向 atomic_flag 的指针，表示需要进行测试和设置的标志。
  • 返回值是一个 _Bool 类型，表示在进行操作前，flag 的当前值是否为 true。如果当前值为 true，则返回 true，表示标志已经被设置；如果当前值为 false，则返回 false，表示标志在进行测试和设置前是未设置的。

这个操作可以被视为一个原子的比较和设置操作。在多线程环境中，它确保在进行测试和设置的整个过程中不会被中断，从而防止竞态条件。

下面是一个简单的例子，演示了 atomic_flag_test_and_set 的使用：

c 复制代码 
#include <stdatomic.h>

atomic_flag my_flag = ATOMIC_FLAG_INIT;

void acquire_lock() {
    while (atomic_flag_test_and_set(&my_flag)) {
        // 如果标志已经被设置，继续自旋等待
    }
}

void release_lock() {
    atomic_flag_clear(&my_flag);  // 清除标志，释放锁
}

在这个例子中，acquire_lock 函数尝试获取锁，它使用 atomic_flag_test_and_set 来原子地测试并设置 my_flag。如果 my_flag 已经被设置，说明锁已经被其他线程占用，当前线程将继续自旋等待。release_lock 函数用于释放锁，它使用 atomic_flag_clear 来清除 my_flag，表示锁已经释放。

5. 实例代码

以下是一个简单的自旋锁的 C 语言实现：

自旋锁是一种同步机制，它使用忙等待（自旋）的方式来获取锁。在使用自旋锁时，如果锁已被其他线程占用，当前线程将一直循环检测锁是否被释放，而不是立即进入休眠状态。只有当锁被释放时，当前线程才能成功获取锁。

c 复制代码 
#include <stdatomic.h>

typedef struct {
    atomic_flag flag;
} spinlock_t;

void spinlock_init(spinlock_t *lock) {
    atomic_flag_clear(&lock->flag);
}

void spinlock_lock(spinlock_t *lock) {
    while (atomic_flag_test_and_set(&lock->flag)) {
        // 如果锁已经被占用，继续自旋等待
    }
}

void spinlock_unlock(spinlock_t *lock) {
    atomic_flag_clear(&lock->flag);
}

上述代码中，spinlock_t 结构体包含一个原子标志（atomic_flag），用于表示锁的状态。spinlock_init 用于初始化自旋锁，spinlock_lock 用于上锁，spinlock_unlock 用于解锁。

使用这个自旋锁：

c 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>

spinlock_t my_lock;

void *worker_thread(void *arg) {
    int thread_id = *(int *)arg;

    spinlock_lock(&my_lock);

    // 临界区代码
    printf("Thread %d is in critical section.\n", thread_id);

    spinlock_unlock(&my_lock);

    return NULL;
}

int main() {
    spinlock_init(&my_lock);

    pthread_t thread1, thread2;
    int id1 = 1, id2 = 2;

    pthread_create(&thread1, NULL, worker_thread, &id1);
    pthread_create(&thread2, NULL, worker_thread, &id2);

    pthread_join(thread1, NULL);
    pthread_join(thread2, NULL);

    return 0;
}

这个例子创建了两个线程，它们共享一个自旋锁。每个线程在进入临界区之前先调用 spinlock_lock 上锁，然后在退出临界区时调用 spinlock_unlock 解锁。这样，自旋锁确保在同一时刻只有一个线程能够进入临界区。

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