《C++ Concurrency in Action》笔记21 内存模型基础

截止到目前，我们只是讨论了高层级的操作，下面我们将讨论低层级的操作：C++内存模型和原子操作。

很多程序员都没有注意到一种非常重要的C++11特性。那不是词法特性，也不是新的库支持，而是新的多线程相关的内存模型。没有内存模型去确切的定义基本结构如何工作，那么之前讨论的所有同步机制就无法实现。大部分人不关心这点的原因是：使用了mutex、condition_variable、future来做同步后，它们怎样工作的细节就显得不重要了。

无论如何，C++是一门系统编程语言。C++委员会的一个目的就是让世界不再需要比C++更底层的语言。程序员应该能够毫无语言障碍地做他想做的任何事，当需求出现时，允许他们“接近计算机”。原子类型及操作就是做这事的，它提供了底层的同步操作，可以精确到一个或两个CPU指令。

接下来我们将讨论关于原子类型的细节，这些东西很复杂，除非你计划使用原子操作去编码（就像第七章中所叙述的无锁(lock-free)数据结构），否则你不需要知道这些细节。

内存模型基础

内存模型涉及两方面：一方面是基本结构方面(basic structural)，涉及到如何将对象放置到内存中。另一方面是并发方面(concurrency)，

对象和内存分布

C++中的所有数据都是由对象组成的，这并不是说你可以从int派生一个类，或者基本类型可以拥有成员函数，或者当人们谈论一门像Smalltalk或者Ruby时所说的“所有的事物都是对象”中暗示的意义。它仅仅作为一种描述，即构建的数据块。C++标准将对象定义为“一种存储区域”，尽管它还为这些对象分配属性，例如它们的类型和生命期。

一些对象就是基本的数据类型，例如int或flot，而另一些则是用户定义的类的实例。一些对象拥有子对象（例如数组、派生类实例、拥有非静态数据成员的类实例），而另一些则没有。

不管它的类型是什么，对象都被存储在一个或多个存储单元中。下图描述了一个struct是如何划对象和存储空间的：

从这图中可以看出以下几点：

1.每个变量都是对象，包括属于其他对象的成员对象。

2.每一个对象至少占有一个存储单元

3.基本类型明确占有一个存储单元，不管大小如何，亦或是相邻的，或者是数据的一部分。

4.位域的各个部分占有同一个存储单元的一部分。

对象、存储单元、并行

现在有一个对于多线程应用十分重要的C++特征：连接在一起的内存。如果两个线程分别处理单独的地址空间，则没有问题。但是，如果2个线程同时处理同一块地址空间，那你就要当心了。如果没有线程去修改这块地址内的数据还好，只读数据不需要保护，或者任何同步手段处理。但只要有任何一个线程去修改这些数据，那么就会隐藏数据竞争。

为了避免数据竞争，就必须强制使得两个线程按照顺序去访问这些数据。一种方法就是使用mutex。另一种办法就是使用原子操作。如果不使用这些手段，那么就会产生未定义行为。

未定义行为是C++中最肮脏的角落。根据标准，一旦一个应用含有一个未定义行为，那么它的一切行为都变得不可信，它可能出现任何结果。我知道曾经有个未定义行为导致一个人的监视器开始着火，这也许不太可能发生在你身上，但是数据竞争的确是一种严重的bug，应该尽一切可能去避免。

另外一点也很重要，你可以在涉及数据竞争的内存上使用原子操作，尽管原子操作本身并没有避免数据竞争(比如：并没有指定究竟哪个原子操作首选访问内存)，但是这可以问题由隐藏的不确定的行为转换为可见的确定行为。

写顺序

C++语言中的所有对象都有定义好的写顺序。这个顺序由所有访问他的线程的写动作组成，这起始于对象的初始化。大多数情况下，这些顺序在运行时是可变的。但是在任何给定的可执行程序中，所有线程都必须遵守这个顺序。如果对象不是原子类型，那么你就必须通过同步手段确保不同线程的访问顺序。如果你使用了原子操作，那么编译器就会为数据同步提供保证。

5.2 C++中的原子类型和原子操作

一个原子操作是一个独立的操作，它要么完成，要么未完成，在一个线程中不可能出现只完成一半的情况。如果从一个对象载入数据是原子操作，那么对这个对象进行修改也一定是原子操作。

与之相反，一个非原子操作可能被发现在一个线程中执行了一半。如果这是一个存储操作，那么这个被另一个线程访问到的值既不是是保存之前的值，也不是要保存的值，而是其他的什么东西。如果这个非原子操作是载入，也会出现同样的情况。

在C++中，你需使用原子类型以获得原子操作。

5.2.1 标准的原子类型

标准原子类型包含在  <atomic>头文件中，所有这些类型都是原子类型。尽管你可以使用mutex令其他操作看起来像是原子操作，但只有操作这些原子类型才是语言定义意义上的原子操作。实际上，这些原子类型也有类似的处理：它们几乎都拥有一个成员函数is_lock_free()，这个函数允许用户确定一个给定类型是直接操作原子指令（is_lock_free()返回true时），还是使用一个编译器或库级别的内部锁（is_lock_free()返回false）。

唯一不提供is_lock_free()成员函数的类型是std::atomic_flag，这个类型是一种非常简单的bool标识，你可以用它来实现一个简单的锁，而且它也是所有其他原子类型实现的基础。这里的“非常简单”的意思是：std::atomic_flag类型的对象，在初始时就被设置为clear状态，然后可以被获取并设置（使用test_and_set()）或者被清空（使用clear()）。它不提供赋值操作，没有拷贝构造，没有test和set，也没有其他任何操作。

剩下的原子类型都是通过std::atomic<>类模板的特化来访问的。在大多数平台上，内建类型的原子变量（例如std::atomic<int>）被定义为无锁的，但并不是强制的规定。位操作例如&=并不支持普通指针，所以也就不支持原子指针。

除了直接使用std::atomic<>声明原子类型外，C++还定义了一些现成的类型可以直接使用，如下表所示：

Atomic type            Corresponding specialization
atomic_bool            std::atomic<bool>
atomic_char            std::atomic<char>
atomic_schar        std::atomic<signed char>
atomic_uchar        std::atomic<unsigned char>
atomic_int            std::atomic<int>
atomic_uint            std::atomic<unsigned>
atomic_short        std::atomic<short>
atomic_ushort        std::atomic<unsigned short>
atomic_long            std::atomic<long>
atomic_ulong        std::atomic<unsigned long>
atomic_llong        std::atomic<long long>
atomic_ullong        std::atomic<unsigned long long>
atomic_char16_t        std::atomic<char16_t>
atomic_char32_t        std::atomic<char32_t>
atomic_wchar_t        std::atomic<wchar_t>

由于历史遗留问题，这些类型名可能涉及到std::atomic<>的特化，或者基类的特化。最好不要在一个程序中混合使用这些类型名和std::atomic<>，否则可能导致代码无法移植。

另外，C++标准库也为另外一些非原子类型定义了对应的原子类型，如下表：

Atomic typedef        Corresponding Standard Library  typedef
atomic_int_least8_t            int_least8_t
atomic_uint_least8_t        uint_least8_t
atomic_int_least16_t        int_least16_t
atomic_uint_least16_t        uint_least16_t
atomic_int_least32_t        int_least32_t
atomic_uint_least32_t        uint_least32_t
atomic_int_least64_t        int_least64_t
atomic_uint_least64_t        uint_least64_t
atomic_int_fast8_t            int_fast8_t
atomic_uint_fast8_t            uint_fast8_t
atomic_int_fast16_t            int_fast16_t
atomic_uint_fast16_t        uint_fast16_t
atomic_int_fast32_t            int_fast32_t
atomic_uint_fast32_t        uint_fast32_t
atomic_int_fast64_t            int_fast64_t
atomic_uint_fast64_t        uint_fast64_t
atomic_intptr_t                intptr_t
atomic_uintptr_t            uintptr_t
atomic_size_t                size_t
atomic_ptrdiff_t            ptrdiff_t
atomic_intmax_t                intmax_t
atomic_uintmax_t            uintmax_t

标准原子类型不支持拷贝或赋值。但是它们支持隐式的从内建类型装换，或转换为内建类型，比如：直接使用成员函数load()、store()、exchanged()、compare_exchange_weak() 、  compare_exchange_strong() 。也支持与內建类型的复合赋值操作：例如 +=，-=，*=，|=等等。而且，积分类型（the integral types）和std::atomic<>对指针的偏特化支持++、--。这些操作还有相应的命名成员函数，例如：fetch_add()、fetch_or()等等。这些函数要么返回存储在原子对象中的值（重载运算符函数），要么返回操作之前的值（命名函数），而不是返回原子对象的引用。这是为了避免竞争条件的产生，如果返回一个引用，那么为了从引用中获取数据，必须再执行读操作，而在读操作之前，对象中的值可能已经被别的线程更改了，从而为数据竞争的产生开了后门。

std::atomic<>不仅仅是一组模板特化的集合，它也可以被用于定义用户自定义的原子变量。因为它是一个通用类模板，它的接口被限制为：load()、store()(还有从一个用户类型转换或者转换为用户类型)、 exchange()，compare_exchange_weak() ,，and  compare_exchange_strong()。

原子类型的所有操作都有一个附加参数，用于指定内存指令（memory-ordering）。这部分将在5.3节中介绍，现在只需要知道操作分为3种：

1.存储操作：have  memory_order_relaxed ，memory_order_release，或memory_order_seq_cst。

2.载入操作：memory_order_relaxed，memory_order_consume，memory_order_acquire，或memory_order_seq_cst。

3.Read-modify-write操作：memory_order_relaxed，memory_order_consume ，memory_order_acquire，memory_order_release，memory_order_acq_rel，或者memory_order_seq_cst。

所有操作的缺省的指令都是 memory_order_seq_cst 。