现代C++ [5]: 原子操作

发表于2023-02-16|更新于2023-05-05|语言

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std::atomic模板的实例化或全特化可以定义一个原子的数据类型。它提供了多线程间的原子操作。所谓原子操作，一般是指在逻辑上的不可分割的操作（物理上并不一定只有一条指令）。原子操作是无锁类型，但不代表无需等待，当多个线程同时竞争同一原子变量时，仍要为了同步而等待。但原子操作的开销要低于加解锁。

原子操作（std::atomic）

// since C++11
// Defined in header <atomic> 
// 原始模板
template< class T >
struct atomic;

// 裸指针类型偏特化
template< class U >
struct atomic<U*>;

// since C++20
// Defined in header <memory>
// 智能指针类型的偏特化
template< class U >
struct atomic<std::shared_ptr<U>>;

template< class U >
struct atomic<std::weak_ptr<U>>;

对原子对象的访问可以建立线程间同步，并按照std::memory_order指定的顺序对非原子内存访问进行排序。

std::atomic既不可复制，也不可移动。

原始模板std::atomic可以被任何可平凡拷贝（TriviallyCopyable）的类型T实例化，若T为class类型，则需要满足可拷贝构造（CopyConstructible）和可拷贝赋值（CopyAssignable）。

可拷贝构造需要满足可移动构造，即可移动构造是可拷贝构造的必要不充分条件；可拷贝赋值和可移动赋值同理。

所以，如果以下值为false，则T不可以用于实例化std::atomic：

std::is_trivially_copyable<T>::value
std::is_copy_constructible<T>::value
std::is_move_constructible<T>::value
std::is_copy_assignable<T>::value
std::is_move_assignable<T>::value

C++标准库为以下类型提供了std::atomic的偏特化，这些偏特化拥有原始模板没有的一些特性：

std::atomic<U*>偏特化：适用所有的指针类型。这些偏特化拥有标准布局（standard layout）、平凡的默认构造函数（trivial default constructors， (until C++20)）和平凡的析构函数（trivial destructors）。除了为所有原子类型提供的操作之外，这些偏特化还支持适用于指针类型的原子算术操作，例如fetch_add、fetch_sub。
std::atomic<std::shared_ptr>>和std::atomic<std::weak_ptr>>偏特化：适用于智能指针的偏特化。

针对整数类型的特化

当使用以下整数类型之一实例化时，std::atomic提供了适用于整数类型的其他原子操作，如 fetch_add, fetch_sub, fetch_and, fetch_or, fetch_xor：

字符类型：char，char8_t（since C++20），char16_t，char32_t和wchar_t；
标准有符号整型：signed char，short，int，long和long long；
标准无符号整型：unsigned char，unsigned short，unsigned int，unsigned long和unsigned long long；
在头文件<cstdint>中typedef的任何其他整数类型；

同样，这些特化拥有标准布局（standard layout）、平凡的默认构造函数（trivial default constructors， (until C++20)）和平凡的析构函数（trivial destructors）。有符号整型的算术操作被定义为使用二的补码。

针对浮点数类型的特化（since C++20）

当使用标准浮点类型之一，如float，double，long double或扩展的浮点类型（since C++23），进行实例化时，std::atomic提供了适用于浮点数类型的其他原子操作，如 fetch_add, fetch_sub。

using atomic_bool = atomic<bool>;

其他类型别名自行查表。

函数名	解释
ctor	构造一个原子对象
`operator=`	将值存储到原子对象中
`is_lock_free`	检查原子对象是否无锁
`store`	用非原子参数原子地替换原子对象的值
`load`	原子地获得原子对象的值
`operator T`	从一个原子对象中加载值
`exchange`	原子地替换原子对象的值，并获得先前保存的值
`compare_exchange_weak` `compare_exchange_strong`	将原子对象的值与非原子参数进行原子比较，如果相等则执行原子交换，如果不相等，则执行原子获取
`wait`(C++20)	阻塞线程，直到被通知（notified）并且原子值更改
`notify_one`(C++20)	通知至少一个等待原子对象的线程
`notify_all`(C++20)	通知所有因等待原子对象而被阻塞的线程

特化成员函数

函数名	解释
`fetch_add`	将参数原子地添加到存储在原子对象中的值，并获得先前保存的值
`fetch_sub`	从存储在原子对象中的值中原子地减去参数，并获得先前保存的值
`fetch_and`	原子地在参数和原子对象的值之间执行逐位“与”运算，并获得先前保存的值
`fetch_or`	原子地在参数和原子对象的值之间执行逐位“或”，并获得先前保存的值
`fetch_xor`	原子地在参数和原子对象的值之间执行逐位“异或”，并获得先前保存的值
`operator++` `operator++(int)` `operator--` `operator--(int)`	将原子值增加或减少一
`operator+=` `operator-=` `operator&=` `operator\|=` `operator^=`	将原子值与参数相加、相减或执行位与、位或、位异或