C++11中原子操作atomic
阿新 • • 發佈：2019-02-16
所謂的原子操作，取的就是“原子是最小的、不可分割的最小個體”的意義，它表示在多個執行緒訪問同一個全域性資源的時候，能夠確保所有其他的執行緒都不在同一時間內訪問相同的資源。也就是他確保了在同一時刻只有唯一的執行緒對這個資源進行訪問。這有點類似互斥物件對共享資源的訪問的保護，但是原子操作更加接近底層，因而效率更高。
在以往的C++標準中並沒有對原子操作進行規定，我們往往是使用匯編語言，或者是藉助第三方的執行緒庫，例如intel的pthread來實現。在新標準C++11，引入了原子操作的概念，並通過這個新的標頭檔案提供了多種原子操作資料型別，例如，atomic_bool,atomic_int等等，如果我們在多個執行緒中對這些型別的共享資源進行操作，編譯器將保證這些操作都是原子性的，也就是說，確保任意時刻只有一個執行緒對這個資源進行訪問，編譯器將保證，多個執行緒訪問這個共享資源的正確性。從而避免了鎖的使用，提高了效率。
std::atomic對int, char, bool等資料結構進行原子性封裝，在多執行緒環境中，對std::atomic物件的訪問不會造成競爭-冒險。利用std::atomic可實現資料結構的無鎖設計。
我們還是來看一個實際的例子。假若我們要設計一個廣告點選統計程式，在伺服器程式中，使用多個執行緒模擬多個使用者對廣告的點選：
#include <boost/thread/thread.hpp>
#include <atomic>
#include <iostream>
#include <time.h>
using namespace std;
// 全域性的結果資料
long total = 0;
// 點選函式
void click()
{
for(int i=0; i<1000000;++i)
{
// 對全域性資料進行無鎖訪問
total += 1;
}
}
int main(int argc, char* argv[])
{
// 計時開始
clock_t start = clock();
// 建立100個執行緒模擬點選統計
boost::thread_group threads;
for(int i=0; i<100;++i)
{
threads.create_thread(click);
}
threads.join_all();
// 計時結束
clock_t finish = clock();
// 輸出結果
cout<<"result:"<<total<<endl;
cout<<"duration:"<<finish -start<<"ms"<<endl;
return 0;
}
從執行的結果來看，這樣的方法雖然非常快，但是結果不正確
E:\SourceCode\MinGW>thread.exe
result:87228026
duration:528ms
很自然地，我們會想到使用互斥物件來對全域性共享資源的訪問進行保護，於是有了下面的實現：
long total = 0;
// 對共享資源進行保護的互斥物件
mutex m;
void click()
{
for(int i=0; i<1000000;++i)
{
// 訪問之前，鎖定互斥物件
m.lock();
total += 1;
// 訪問完成後，釋放互斥物件
m.unlock();
}
}
互斥物件的使用，保證了同一時刻只有唯一的一個執行緒對這個共享進行訪問，從執行的結果來看，互斥物件保證了結果的正確性，但是也有非常大的效能損失，從剛才的528ms變成了現在的8431，用了原來時間的10多倍的時間。這個損失夠大。
E:\SourceCode\MinGW>thread.exe
result:100000000
duration:8431ms
如果是在C++11之前，我們的解決方案也就到此為止了，但是，C++對效能的追求是永無止境的，他總是想盡一切辦法榨乾CPU的效能。在C++11中，實現了原子操作的資料型別（atomic_bool,atomic_int,atomic_long等等），對於這些原子資料型別的共享資源的訪問，無需藉助mutex等鎖機制，也能夠實現對共享資源的正確訪問。
// 引入原子資料型別的標頭檔案
#include <atomic>
// 用原子資料型別作為共享資源的資料型別
atomic_long total(0);
//long total = 0;
void click()
{
for(int i=0; i<1000000;++i)
{
// 僅僅是資料型別的不同而以，對其的訪問形式與普通資料型別的資源並無區別
total += 1;
}
}
我們來看看使用原子資料型別之後的效果如何：
E:\SourceCode\MinGW>thread.exe
result:100000000
duration:2105ms
結果正確！耗時只是使用mutex互斥物件的四分之一！也僅僅是不採用任何保護機制的時間的4倍。可以說這是一個非常不錯的成績了。
原子操作的實現跟普通資料型別類似，但是它能夠在保證結果正確的前提下，提供比mutex等鎖機制更好的效能，如果我們要訪問的共享資源可以用原子資料型別表示，那麼在多執行緒程式中使用這種新的等價資料型別，是一個不錯的選擇。
在以往的C++標準中並沒有對原子操作進行規定，我們往往是使用匯編語言，或者是藉助第三方的執行緒庫，例如intel的pthread來實現。在新標準C++11，引入了原子操作的概念，並通過這個新的標頭檔案提供了多種原子操作資料型別，例如，atomic_bool,atomic_int等等，如果我們在多個執行緒中對這些型別的共享資源進行操作，編譯器將保證這些操作都是原子性的，也就是說，確保任意時刻只有一個執行緒對這個資源進行訪問，編譯器將保證，多個執行緒訪問這個共享資源的正確性。從而避免了鎖的使用，提高了效率。
std::atomic對int, char, bool等資料結構進行原子性封裝，在多執行緒環境中，對std::atomic物件的訪問不會造成競爭-冒險。利用std::atomic可實現資料結構的無鎖設計。
我們還是來看一個實際的例子。假若我們要設計一個廣告點選統計程式，在伺服器程式中，使用多個執行緒模擬多個使用者對廣告的點選：
#include <boost/thread/thread.hpp>
#include <atomic>
#include <iostream>
#include <time.h>
using namespace std;
// 全域性的結果資料
long total = 0;
// 點選函式
void click()
{
for(int i=0; i<1000000;++i)
{
// 對全域性資料進行無鎖訪問
total += 1;
}
}
int main(int argc, char* argv[])
{
// 計時開始
clock_t start = clock();
// 建立100個執行緒模擬點選統計
boost::thread_group threads;
for(int i=0; i<100;++i)
{
threads.create_thread(click);
}
threads.join_all();
// 計時結束
clock_t finish = clock();
// 輸出結果
cout<<"result:"<<total<<endl;
cout<<"duration:"<<finish -start<<"ms"<<endl;
return 0;
}
從執行的結果來看，這樣的方法雖然非常快，但是結果不正確
E:\SourceCode\MinGW>thread.exe
result:87228026
duration:528ms
很自然地，我們會想到使用互斥物件來對全域性共享資源的訪問進行保護，於是有了下面的實現：
long total = 0;
// 對共享資源進行保護的互斥物件
mutex m;
void click()
{
for(int i=0; i<1000000;++i)
{
// 訪問之前，鎖定互斥物件
m.lock();
total += 1;
// 訪問完成後，釋放互斥物件
m.unlock();
}
}
互斥物件的使用，保證了同一時刻只有唯一的一個執行緒對這個共享進行訪問，從執行的結果來看，互斥物件保證了結果的正確性，但是也有非常大的效能損失，從剛才的528ms變成了現在的8431，用了原來時間的10多倍的時間。這個損失夠大。
E:\SourceCode\MinGW>thread.exe
result:100000000
duration:8431ms
如果是在C++11之前，我們的解決方案也就到此為止了，但是，C++對效能的追求是永無止境的，他總是想盡一切辦法榨乾CPU的效能。在C++11中，實現了原子操作的資料型別（atomic_bool,atomic_int,atomic_long等等），對於這些原子資料型別的共享資源的訪問，無需藉助mutex等鎖機制，也能夠實現對共享資源的正確訪問。
// 引入原子資料型別的標頭檔案
#include <atomic>
// 用原子資料型別作為共享資源的資料型別
atomic_long total(0);
//long total = 0;
void click()
{
for(int i=0; i<1000000;++i)
{
// 僅僅是資料型別的不同而以，對其的訪問形式與普通資料型別的資源並無區別
total += 1;
}
}
我們來看看使用原子資料型別之後的效果如何：
E:\SourceCode\MinGW>thread.exe
result:100000000
duration:2105ms
結果正確！耗時只是使用mutex互斥物件的四分之一！也僅僅是不採用任何保護機制的時間的4倍。可以說這是一個非常不錯的成績了。
原子操作的實現跟普通資料型別類似，但是它能夠在保證結果正確的前提下，提供比mutex等鎖機制更好的效能，如果我們要訪問的共享資源可以用原子資料型別表示，那麼在多執行緒程式中使用這種新的等價資料型別，是一個不錯的選擇。