将 std::atomic 与 futex 系统调用一起使用

Question

在 C++20 中，我们可以在原子变量上休眠，等待它们的值发生变化。 我们通过使用std::atomic::wait 方法来做到这一点。

不幸的是，虽然wait 已标准化，但wait_for 和wait_until 尚未标准化。这意味着我们不能在具有超时的原子变量上休眠。

无论如何，在 Windows 上使用 WaitOnAddress 和 Linux 上的 futex 系统调用在幕后实现对原子变量的睡眠。

解决上述问题（无法在超时的原子变量上休眠），我可以在 Windows 上将std::atomic 的内存地址传递给WaitOnAddress，它会（有点）在没有 UB 的情况下工作，因为函数以void*为参数，将std::atomic<type>转换为void*是有效的

在 Linux 上，是否可以将 std::atomic 与 futex 混合使用尚不清楚。 futex 获得 uint32_t* 或 int32_t*（取决于您阅读的手册），并将 std::atomic<u/int> 转换为 u/int* 是 UB。另一方面，手册说

uaddr 参数指向 futex 字。 在所有平台上， futexes 是四字节整数，必须在四字节上对齐 字节边界。在 futex 上执行的操作是 在 futex_op 参数中指定； val 是一个值，其含义 目的取决于 futex_op。

提示alignas(4) std::atomic<int> 应该可以工作，不管它是哪个整数类型，只要该类型的大小为 4 字节且对齐为 4。

另外，我看到很多地方实现了这种结合 atomics 和 futexes 的技巧，包括 boost 和 TBB。

那么，以非 UB 方式在具有超时的原子变量上休眠的最佳方法是什么？ 我们是否必须使用 OS 原语实现自己的原子类才能正确实现它？

（存在混合原子和条件变量等解决方案，但不是最佳的）

Answer 1

您不一定必须实现完全自定义的atomic API，实际上应该安全地从atomic<T> 中提取指向基础数据的指针并将其传递给系统。

由于 std::atomic 不像其他同步原语那样提供 native_handle 的等价物，因此您将不得不进行一些特定于实现的黑客攻击以尝试使其与本机 API 接口。

在大多数情况下，假设这些类型的第一个成员在实现中与T 类型相同是相当安全的——至少对于整数值^[1]。这是一种保证，可以提取该值。

...将std::atomic<u/int> 转换为u/int* 是UB

事实并非如此。

std::atomic 由标准保证为Standard-Layout Type。标准布局类型的一个有用但通常深奥的属性是reinterpret_cast 和T to a value or reference of the first sub-object 是安全的（例如std::atomic 的第一个成员）。

只要我们可以保证std::atomic<u/int> 包含仅 u/int 作为成员（或至少作为其第一个成员），那么提取类型是完全安全的以这种方式：

auto* r = reinterpret_cast<std::uint32_t*>(&atomic);
// Pass to futex API...

这种方法还应该在 Windows 上将atomic 转换为基础类型，然后再将其传递给void* API。

注意：将T* 指针传递给void*，该指针将被重新解释为U*（例如，当atomic<T>* 需要T* 时将void* 传递给T*）是未定义的行为——即使有标准布局保证（据我所知）。它仍然可能会工作，因为编译器无法查看系统 API —— 但这不会使代码格式正确。

注意 2： 我不能谈论 WaitOnAddress API，因为我实际上并没有使用过它——但是任何依赖于正确对齐的整数值的地址的原子 API ( void* 或其他）应该通过提取指向基础值的指针来正常工作。

---

^[1] 由于这是标记为C++20，您可以使用std::is_layout_compatible 和static_assert 来验证这一点：

static_assert(std::is_layout_compatible_v<int,std::atomic<int>>);

（感谢@apmccartney 在 cmets 中的建议）。

我可以确认这将与 Microsoft's STL、libc++ 和 libstdc++ 的布局兼容；但是，如果您无权访问 is_layout_compatible 并且您使用的是不同的系统，您可能需要检查编译器的头文件以确保此假设成立。