原子操作 | GWH Blog

十、原子操作

本节主要记录原子操作std::atomic类模板的使用。

1、原子操作概念引出

有两个线程，对一个全局变量进行操作，一个线程读变量值，另一个线程向这个变量中写值。

#include "pch.h"
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <chrono>

using namespace std;

int global_val = 0;           // 创建一个全局变量
//std::mutex global_mutex;    // 全局互斥锁

void mythread()
{
	for (int i = 0; i < 10000000; ++i)
	{
		//global_mutex.lock();
		global_val++;
		//global_mutex.unlock();
	}

	return;
}
int main()
{
	auto t1 = std::chrono::steady_clock::now();
	std::thread thread1(mythread);
	std::thread thread2(mythread);

	thread1.join();
	thread2.join();

	auto t2 = std::chrono::steady_clock::now();
	double dr_s = std::chrono::duration<double>(t2 - t1).count();

	cout << "全局变量的值 " << global_val << endl;
	cout << "耗时 " << dr_s<<" 秒" << endl;
	return 0;
}

上述代码创建了两个线程，两个线程都是对全局变量global_val进行++运算。常理上讲，当两个线程执行完毕并返回后，global_val = 20000000。但是运行上述代码，我们发现并不是这样，global_val<<20000000 ！这是因为我们进行++操作时，尽管看起来只有一行代码，但是实际上编译之后会产生多行汇编代码，在进行++运算的过程中，系统切换到了另外一个线程，打断了原来线程的++操作。

知道了问题所在，我们便有对应的解决方法，使用我们之前学到的互斥量，对共享数据进行保护，使得其他线程不会打断本线程的操作，上述代码会进行20000000次的加锁、解锁操作，尽管比较费时，但是结果是正确的，程序耗时大约5秒。

原子操作，一般都是指”不可分割的操作“，也就是说这种操作状态要么是完成的，要么是未完成的，不可能出现半完成状态。原子操作适用于上述的情况，我们可以把原子操作理解成一种：不需要用到互斥量加锁技术的多线程并发编程方式。或者也可以理解成：原子操作是在多线程中不会被打断的程序执行片段。

互斥量的加锁一般是针对一个代码段（几行代码），而原子操作针对的一般都是一个变量，原子操作效率上比互斥量更胜一筹。

C++11中的std::atomic来代表原子操作，它是一个类模板，用来封装某个类型的值。

2、std::atomic的基本使用

#include<atomic>
std::atomic<int> global_val = 0;         // 创建一个全局变量

void mythread()
{
	for (int i = 0; i < 10000000; ++i)
	{
		global_val++;
         global_val = global + 1;        // 不支持
	}

	return;
}

std::atomic对int进行包装之后，我们可以向原来使用int一样使用包装之后的变量。使用原子操作之后，同样的操作只需要1.5秒左右。

一般std::atomic原子操作，针对++、–、+=、&=、|=、*=运算符是支持的，其他的可能不支持。