C原子操作，如果写入都是原子交换，我需要原子加载吗？

Question

我正在用 C 语言编写一个程序。为了简单起见：有几个变量可供许多线程读写。每次写入其中一个时，都会通过原子交换（GCC 原子操作、同步和交换）写入。每次读取其中一个变量时是否需要使用原子加载，或者原子写入是否足以避免在写入过程中读取数据？

注意，任何需要使用这些变量之一的数据的地方首先复制该值：

int success = 0;
while ( !success ) {
  int x = shared_x;
  ... work with x, result in y ...
  success = cmp_swap( &shared_x, x, y );
}

我的问题不是关于数据竞赛，我不担心我可能会丢失数据。我担心 shared_x 的值可能会在我阅读它的过程中发生变化。假设它是一个 8 字节整数，这是否是一个潜在的问题：假设 shared_x 是一个 64 位整数，8 个字节。我的 x = shared_x 是否有可能复制前 4 个字节，然后以原子方式写入 shared_x，然后该语句完成读取第二个 4 个字节。这将导致 x 包含 shared_x 旧值的前 4 个字节，以及新 shared_x 的后 4 个字节。我怀疑原子交换中的内存屏障（http://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc-4.1.1/gcc/Atomic-Builtins.html - 使用 __sync_bool_compare_and_swap）足以防止这种情况发生......但我不确定。

Answer 1

看起来你正在阅读shared_x，计算一些新的东西，然后写回shared_x。您写入shared_x 的值似乎取决于您最初从中读取的值。

如果是这种情况，你就有了一个依赖关系，很可能不仅需要使读取原子化，还需要使“读取、计算、回写”的整个操作原子化。意思是，你需要同步它。就像使用互斥锁一样。

我说“最有可能”是因为我不确定我是否不知道代码的实际作用。您需要分析在线程 A 写入 shared_x 而线程 B 当前正在根据 shared_x 的旧值进行计算然后将结果写回它的竞争条件的情况下会发生什么。线程 A 写入它的值将永远丢失。我不知道这是否会给你带来问题。只有你能知道。如果该竞争条件正常，那么您不需要同步或使读取原子化。

如果您只对确保从 shared_x 阅读不会让您产生垃圾并且不关心上述竞争条件感兴趣，那么答案是“很可能您不需要读原子。”您可以在这里阅读详细信息，而不是我复制和粘贴：

Atomicity in C++ : Myth or Reality

尽管问题是针对 C++ 的，但对于 C 也是如此。

请注意，原子现在也在 C 标准 (C11) 中，由 <stdatomic.h> 标头和 _Atomic 类型限定符提供。但当然不是所有的编译器都支持 C11。