使用 gcc atomic builtins 的原子交换函数

Question

这是通用原子交换函数的正确实现吗？我正在寻找 GCC 上兼容 C++03 的解决方案。

template<typename T>
void atomic_swap(T & a, T & b) {
    static_assert(sizeof(T) <= sizeof(void*), "Maximum size type exceeded.");
    T * ptr = &a;
    b =__sync_lock_test_and_set(ptr, b);
    __sync_lock_release(&ptr);
}

如果没有，我该怎么做才能解决它？

另外：__sync_lock_release 总是必要的吗？在搜索其他代码库时，我发现这通常不会被调用。如果没有发布调用，我的代码如下所示：

template<typename T>
void atomic_swap(T & a, T & b) {
    static_assert(sizeof(T) <= sizeof(void*), "Maximum size type exceeded.");
    b = __sync_lock_test_and_set(&a, b);
}

PS：Atomic swap in GNU C++ 是一个类似的问题，但它没有回答我的问题，因为提供的答案需要 C++11 的 std::atomic 并且它具有签名 Data *swap_data(Data *new_data)，这对于swap 函数。 （它实际上将提供的参数与在函数之前定义的全局变量交换。）

Answer 1

请记住，此版本的交换不是完全原子操作。虽然b 的值将被自动复制到a，但a 的值可能会复制另一个线程对b 值的修改。换句话说，对b 的分配对于其他线程来说不是原子的。因此，您最终可能会遇到a == 1 和b == 2 的情况，并且在gcc 内置之后，您最终会返回a == 2 和1 的值，但现在另一个线程已经改变了将b 的值改写为3，然后将b 中的值改写为1。因此，虽然您可能已经“技术上”交换了值，但您并没有以原子方式进行操作……另一个线程在 gcc atomic 内置函数的返回和该返回的分配之间触及了 b 的值值b。从组装的角度来看，您有以下内容：

lea RAX, qword ptr [RDI]  // T * ptr = &a;
mov RCX, qword ptr [RSI]  // copy out the value referenced by b into a register
xchg [RAX], RCX           // __sync_lock_test_and_set(&a, b)
mov qword ptr [RSI], RCX  // place the exchange value back into b (not atomic!!)

说实话，如果没有硬件操作（如 DCAS 或弱加载链接/存储条件）或可能使用其他方法（如事务性内存），您无法对两个单独的内存位置进行无锁原子交换（它本身倾向于使用细粒度的锁定）。

其次，由于您的函数是现在编写的，如果您希望原子操作同时具有获取和释放语义，那么是的，您将不得不放置在 __sync_lock_release 中，或者您将必须通过__sync_synchronize 添加一个完整的内存屏障。否则它只会在__sync_lock_test_and_set 上获得语义。尽管如此，它并不会原子地相互交换两个单独的内存位置......