C++11 原子类和操作——我说得对吗

Question

我的以下假设是否正确：

• 我不需要将任何平台上不同线程对std::atomic<T> 对象的访问与我自己的同步对象显式同步
• std::atomic<T> 操作可以是无锁或非无锁的，取决于平台
• std::atomic_bool 和 std::atomic<bool>（以及其他类似的类型）实际上是相同的东西
• std::atomic_flag 是唯一按标准保证独立于平台的无锁操作的类

我在哪里可以找到有关std::memory_order 的有用信息以及如何正确使用它？

Answer 1

我们来一一介绍。

---

• 我不需要将任何平台上不同线程对std::atomic<T> 对象的访问与我自己的同步对象显式同步

是的，atomic 对象在其所有访问器方法上完全同步。

只有在构造过程中才会发生访问原子类型的数据竞争，但它涉及构造一个原子对象A，并使用memory_order_relaxed通过原子指针将其地址传递给另一个线程，以有意解决std::atomic 的顺序一致性，然后从第二个线程访问A。所以，不要那样做？ :)

说到构造，可以通过三种方式来初始化你的原子类型：

// Method 1: constructor
std::atomic<int> my_int(5);

// Method 2: atomic_init
std::atomic<int> my_int; // must be default constructed
std::atomic_init(&my_int, 5); // only allowed once

// Method 3: ATOMIC_VAR_INIT
// may be implemented using locks even if std::atomic<int> is lock-free
std::atomic<int> my_int = ATOMIC_VAR_INIT(5);

使用后两种方法中的任何一种，都适用相同的数据竞争可能性。

---

• std::atomic<T> 操作可以是无锁或非无锁的，取决于平台

正确。对于所有整数类型，您可以检查一些宏来告诉您给定的atomic 特化是否、有时或总是无锁。对于这三种情况，宏的值分别为 0、1 或 2。完整的宏列表取自标准的 §29.4，其中unspecified 是它们的“0、1 或 2”的替代：

#define ATOMIC_BOOL_LOCK_FREE unspecified 
#define ATOMIC_CHAR_LOCK_FREE unspecified 
#define ATOMIC_CHAR16_T_LOCK_FREE unspecified 
#define ATOMIC_CHAR32_T_LOCK_FREE unspecified 
#define ATOMIC_WCHAR_T_LOCK_FREE unspecified 
#define ATOMIC_SHORT_LOCK_FREE unspecified 
#define ATOMIC_INT_LOCK_FREE unspecified 
#define ATOMIC_LONG_LOCK_FREE unspecified 
#define ATOMIC_LLONG_LOCK_FREE unspecified 
#define ATOMIC_POINTER_LOCK_FREE unspecified

请注意，这些定义适用于相应类型的无符号和有符号变体。

如果#define 为1，则必须在运行时检查。这是按如下方式完成的：

std::atomic<int> my_int;

if (my_int.is_lock_free()) {
    // do lock-free stuff
}

if (std::atomic_is_lock_free(&my_int)) {
    // also do lock-free stuff
}

---

• std::atomic_bool 和 std::atomic<bool>（以及其他类似的类型）实际上是相同的东西

是的，为了您的方便，这些只是typedefs。完整列表见标准表 194：

Named type      | Integral argument type
----------------+-----------------------
atomic_char     | char
atomic_schar    | signed char
atomic_uchar    | unsigned char
atomic_short    | short
atomic_ushort   | unsigned short
atomic_int      | int
atomic_uint     | unsigned int
atomic_long     | long
atomic_ulong    | unsigned long
atomic_llong    | long long
atomic_ullong   | unsigned long long
atomic_char16_t | char16_t
atomic_char32_t | char32_t
atomic_wchar_t  | wchar_t

---

• std::atomic_flag 是唯一一个按照标准保证独立于平台的无锁操作的类

正确，由标准中的 §29.7/2 保证。

请注意，atomic_flag 的初始化状态无法保证，除非您使用如下宏对其进行初始化：

std::atomic_flag guard = ATOMIC_FLAG_INIT; // guaranteed to be initialized cleared

其他原子类型也有类似的宏，

该标准未指定 atomic_flag 是否会遇到其他原子类型在构造期间可能遇到的相同数据竞争。

---

• 另外我在哪里可以找到有关std::memory_order 的有用信息以及如何正确使用它？

正如@WhozCraig 所建议的，cppreference.com 有最好的参考。

正如@erenon 所建议的，Boost.Atomic 有一篇关于如何使用内存栅栏进行无锁编程的精彩文章。