走进C++11（三十七）原子操作之 std::atomic

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C++11提供了一个原子类型std::atomic<T>，可以使用任意类型作为模板参数，C++11内置了整型的原子变量，可以方便的使用原子变量，使用原子变量就不用互斥变量来保护该变量了。

每个 std::atomic 模板的实例化和全特化定义一个原子类型。若一个线程写入原子对象，同时另一线程从它读取，则行为良好定义（数据竞争的细节我们会在下节--内存模型里讲解）

另外，对原子对象的访问可以建立线程间同步，并按 std::memory_order 所对非原子内存访问定序。

需要注意的是，std::atomic 既不可复制亦不可移动。

由于std::atomic 是一个模板，C++11中定义了该模板特化的一些要求：

主模板

主 std::atomic 模板可用任何满足可复制构造 (CopyConstructible) 及可复制赋值 (CopyAssignable) 的可平凡复制 (TriviallyCopyable) 类型 T 特化。若下列任何值为 false 则程序为谬构：

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

std::atomic<bool> 使用初等模板。它保证是标准布局结构体。

偏特化

标准库为下列类型提供 std::atomic 模板的特化，它们拥有初等模板所不拥有的额外属性：

对所有指针类型的部分特化 std::atomic<U*> 。这些特化拥有标准布局、平凡默认构造函数 (C++20 前)和平凡析构函数。除了为所有原子类型提供的操作，这些特化额外支持适合指针类型的原子算术运算，例如 fetch_add 、 fetch_sub 。

对整数类型的特化

以下列整数类型之一实例化时， std::atomic 提供适合于整数类型的额外原子操作，例如 fetch_add 、 fetch_sub 、 fetch_and 、 fetch_or 、 fetch_xor ：

字符类型 char 、 char8_t (C++20 起)、 char16_t 、 char32_t 和 wchar_t ；
标准有符号整数类型：signed char 、 short 、 int 、 long 和 long long ；
标准无符号整数类型：unsigned char 、 unsigned short 、 unsigned int 、 unsigned long 和 unsigned long long ；
任何头文件 <cstdint> 中的 typedef 所需的额外整数类型。

另外，结果的 std::atomic<Integral> 特化拥有标准布局、平凡默认构造函数 (C++20 前)和平凡析构函数。定义有符号整数算术为使用补码；无未定义结果。

atomic 用法

这次我们就不一一介绍atomic的API了，我们从atomic的定义反观atomic的用法：

template < class T > struct atomic {    bool is_lock_free() const volatile;    bool is_lock_free() const;    void store(T, memory_order = memory_order_seq_cst) volatile;    void store(T, memory_order = memory_order_seq_cst);    T load(memory_order = memory_order_seq_cst) const volatile;    T load(memory_order = memory_order_seq_cst) const;    operator  T() const volatile;    operator  T() const;    T exchange(T, memory_order = memory_order_seq_cst) volatile;    T exchange(T, memory_order = memory_order_seq_cst);    bool compare_exchange_weak(T &, T, memory_order, memory_order) volatile;    bool compare_exchange_weak(T &, T, memory_order, memory_order);    bool compare_exchange_strong(T &, T, memory_order, memory_order) volatile;    bool compare_exchange_strong(T &, T, memory_order, memory_order);    bool compare_exchange_weak(T &, T, memory_order = memory_order_seq_cst) volatile;    bool compare_exchange_weak(T &, T, memory_order = memory_order_seq_cst);    bool compare_exchange_strong(T &, T, memory_order = memory_order_seq_cst) volatile;    bool compare_exchange_strong(T &, T, memory_order = memory_order_seq_cst);    atomic() = default;    constexpr atomic(T);    atomic(const atomic &) = delete;    atomic & operator=(const atomic &) = delete;    atomic & operator=(const atomic &) volatile = delete;    T operator=(T) volatile;    T operator=(T);};

可以看出，我们常用的API如下：

(构造函数)	构造原子对象 (公开成员函数)
operator=	存储值于原子对象 (公开成员函数)
is_lock_free	检查原子对象是否免锁 (公开成员函数)
store	原子地以非原子对象替换原子对象的值 (公开成员函数)
load	原子地获得原子对象的值 (公开成员函数)
operator T	从原子对象加载值 (公开成员函数)
exchange	原子地替换原子对象的值并获得它先前持有的值 (公开成员函数)
compare_exchange_weakcompare_exchange_strong	原子地比较原子对象与非原子参数的值，若相等则进行交换，若不相等则进行加载 (公开成员函数)

除了这些常用的API，我们常用的API还有一些特化的API（之前我们说过，只有整数类型和指针类型有特化，所以这些API只有整数类型和指针类型可用）：

fetch_add	原子地将参数加到存储于原子对象的值，并返回先前保有的值 (公开成员函数)
fetch_sub	原子地从存储于原子对象的值减去参数，并获得先前保有的值 (公开成员函数)
fetch_and	原子地进行参数和原子对象的值的逐位与，并获得先前保有的值 (公开成员函数)
fetch_or	原子地进行参数和原子对象的值的逐位或，并获得先前保有的值 (公开成员函数)
fetch_xor	原子地进行参数和原子对象的值的逐位异或，并获得先前保有的值 (公开成员函数)
operator++operator++(int)operator--operator--(int)	令原子值增加或减少一 (公开成员函数)
operator+=operator-=operator&=operator\|=operator^=	加、减，或与原子值进行逐位与、或、异或 (公开成员函数)

例子

下面我们用一个例子结束本文：

// constructing atomics#include <iostream>       // std::cout#include <atomic>         // std::atomic, std::atomic_flag, ATOMIC_FLAG_INIT#include <thread>         // std::thread, std::this_thread::yield#include <vector>         // std::vector
std::atomic<bool> ready (false);std::atomic_flag winner = ATOMIC_FLAG_INIT;
void count1m (int id) {  while (!ready) { std::this_thread::yield(); }      // wait for the ready signal  for (volatile int i=0; i<1000000; ++i) {}          // go!, count to 1 million  if (!winner.test_and_set()) { std::cout << "thread #" << id << " won!\n"; }};
int main (){  std::vector<std::thread> threads;  std::cout << "spawning 10 threads that count to 1 million...\n";  for (int i=1; i<=10; ++i) threads.push_back(std::thread(count1m,i));  ready = true;  for (auto& th : threads) th.join();
  return 0;}

可能的输出：

spawning 10 threads that count to 1 million...thread #7 won!

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