C++11 并发指南六(atomic 类型详解一 atomic_flag 介绍)
来源:互联网 发布:unity3d开发流程 编辑:程序博客网 时间:2024/05/29 03:48
C++11 并发指南已经写了 5 章,前五章重点介绍了多线程编程方面的内容,但大部分内容只涉及多线程、互斥量、条件变量和异步编程相关的 API,C++11 程序员完全可以不必知道这些 API 在底层是如何实现的,只需要清楚 C++11 多线程和异步编程相关 API 的语义,然后熟加练习即可应付大部分多线程编码需求。但是在很多极端的场合下为了性能和效率,我们需要开发一些 lock-free 的算法和数据结构,前面几章的内容可能就派不上用场了,因此从本文开始介绍 C++11 标准中 <atomic> 头文件里面的类和相关函数。
本文介绍 <atomic> 头文件中最简单的原子类型: atomic_flag。atomic_flag 一种简单的原子布尔类型,只支持两种操作,test-and-set 和 clear。
std::atomic_flag 构造函数
std::atomic_flag 构造函数如下:
- atomic_flag() noexcept = default;
- atomic_flag (const atomic_flag&T) = delete;
std::atomic_flag 只有默认构造函数,拷贝构造函数已被禁用,因此不能从其他的 std::atomic_flag 对象构造一个新的 std::atomic_flag 对象。
如果在初始化时没有明确使用 ATOMIC_FLAG_INIT初始化,那么新创建的 std::atomic_flag 对象的状态是未指定的(unspecified)(既没有被 set 也没有被 clear。)另外,atomic_flag不能被拷贝,也不能 move 赋值。
ATOMIC_FLAG_INIT: 如果某个 std::atomic_flag 对象使用该宏初始化,那么可以保证该 std::atomic_flag 对象在创建时处于 clear 状态。
下面先看一个简单的例子,main() 函数中创建了 10 个线程进行计数,率先完成计数任务的线程输出自己的 ID,后续完成计数任务的线程不会输出自身 ID:
#include <iostream> // std::cout#include <atomic> // std::atomic, std::atomic_flag, ATOMIC_FLAG_INIT#include <thread> // std::thread, std::this_thread::yield#include <vector> // std::vectorstd::atomic<bool> ready(false); // can be checked without being setstd::atomic_flag winner = ATOMIC_FLAG_INIT; // always set when checkedvoid count1m(int id){ while (!ready) { std::this_thread::yield(); } // 等待主线程中设置 ready 为 true. for (int i = 0; i < 1000000; ++i) { } // 计数. // 如果某个线程率先执行完上面的计数过程,则输出自己的 ID. // 此后其他线程执行 test_and_set 是 if 语句判断为 false, // 因此不会输出自身 ID. if (!winner.test_and_set()) { std::cout << "thread #" << id << " won!\n"; }};int main(){ std::vector<std::thread> threads; std::cout << "spawning 10 threads that count to 1 million...\n"; for (int i = 1; i <= 10; ++i) threads.push_back(std::thread(count1m, i)); ready = true; for (auto & th:threads) th.join(); return 0;}
多次执行结果如下:
atomic ) ./Atomic-Flag1 spawning 10 threads that count to 1 million...thread #6 won!atomic ) ./Atomic-Flag1 spawning 10 threads that count to 1 million...thread #1 won!atomic ) ./Atomic-Flag1 spawning 10 threads that count to 1 million...thread #5 won!atomic ) ./Atomic-Flag1 spawning 10 threads that count to 1 million...thread #1 won!atomic ) ./Atomic-Flag1 spawning 10 threads that count to 1 million...thread #1 won!atomic ) ./Atomic-Flag1 spawning 10 threads that count to 1 million...thread #10 won!
std::atomic_flag::test_and_set 介绍
std::atomic_flag 的 test_and_set 函数原型如下:
bool test_and_set (memory_order sync = memory_order_seq_cst) volatile noexcept;bool test_and_set (memory_order sync = memory_order_seq_cst) noexcept;
test_and_set() 函数检查 std::atomic_flag 标志,如果 std::atomic_flag 之前没有被设置过,则设置 std::atomic_flag 的标志,并返回先前该 std::atomic_flag 对象是否被设置过,如果之前 std::atomic_flag 对象已被设置,则返回 true,否则返回 false。
test-and-set 操作是原子的(因此 test-and-set 是原子 read-modify-write (RMW)操作)。
test_and_set 可以指定 Memory Order(后续的文章会详细介绍 C++11 的 Memory Order,此处为了完整性列出 test_and_set 参数 sync 的取值),取值如下:
一个简单的例子:
#include <iostream> // std::cout#include <atomic> // std::atomic_flag#include <thread> // std::thread#include <vector> // std::vector#include <sstream> // std::stringstreamstd::atomic_flag lock_stream = ATOMIC_FLAG_INIT;std::stringstream stream;void append_number(int x){ while (lock_stream.test_and_set()) { } stream << "thread #" << x << '\n'; lock_stream.clear();}int main(){ std::vector < std::thread > threads; for (int i = 1; i <= 10; ++i) threads.push_back(std::thread(append_number, i)); for (auto & th:threads) th.join(); std::cout << stream.str() << std::endl;; return 0;}
执行结果如下:
thread #1thread #2thread #3thread #4thread #5thread #6thread #7thread #8thread #9thread #10
std::atomic_flag::clear() 介绍
清除 std::atomic_flag 对象的标志位,即设置 atomic_flag 的值为 false。clear 函数原型如下:
void clear (memory_order sync = memory_order_seq_cst) volatile noexcept;void clear (memory_order sync = memory_order_seq_cst) noexcept;
清除 std::atomic_flag 标志使得下一次调用 std::atomic_flag::test_and_set 返回 false。
std::atomic_flag::clear() 可以指定 Memory Order(后续的文章会详细介绍 C++11 的 Memory Order,此处为了完整性列出 clear 参数 sync 的取值),取值如下:
结合 std::atomic_flag::test_and_set() 和 std::atomic_flag::clear(),std::atomic_flag 对象可以当作一个简单的自旋锁使用,请看下例:
#include <thread>#include <vector>#include <iostream>#include <atomic>std::atomic_flag lock = ATOMIC_FLAG_INIT;void f(int n){ for (int cnt = 0; cnt < 100; ++cnt) { while (lock.test_and_set(std::memory_order_acquire)) // acquire lock ; // spin std::cout << "Output from thread " << n << '\n'; lock.clear(std::memory_order_release); // release lock }}int main(){ std::vector<std::thread> v; for (int n = 0; n < 10; ++n) { v.emplace_back(f, n); } for (auto& t : v) { t.join(); }}
在上面的程序中,std::atomic_flag 对象 lock 的上锁操作可以理解为 lock.test_and_set(std::memory_order_acquire); (此处指定了 Memory Order,更多有关 Memory Order 的概念,我会在后续的文章中介绍),解锁操作相当与 lock.clear(std::memory_order_release)。
在上锁的时候,如果 lock.test_and_set 返回 false,则表示上锁成功(此时 while 不会进入自旋状态),因为此前 lock 的标志位为 false(即没有线程对 lock 进行上锁操作),但调用 test_and_set 后 lock 的标志位为 true,说明某一线程已经成功获得了 lock 锁。
如果在该线程解锁(即调用 lock.clear(std::memory_order_release)) 之前,另外一个线程也调用 lock.test_and_set(std::memory_order_acquire) 试图获得锁,则 test_and_set(std::memory_order_acquire) 返回 true,则 while 进入自旋状态。如果获得锁的线程解锁(即调用了 lock.clear(std::memory_order_release))之后,某个线程试图调用 lock.test_and_set(std::memory_order_acquire) 并且返回 false,则 while 不会进入自旋,此时表明该线程成功地获得了锁。
按照上面的分析,我们知道在某种情况下 std::atomic_flag 对象可以当作一个简单的自旋锁使用。
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