C++11中原子变量std::atomic使用小记

C++11中引入了原子变量模板类型，原子变量的引入，极大的方便了开发者开发多并发程序。工作中也经常使用原子变量，今天针对具体类型std::atomic和自定义类型std::atomic使用做个小小的总结。

std::atomic原子变量的常用操作有：

（1） -- ++操作

（2）store（写操作）

（3）load（读操作）

（4）exchange（交换数据）

（5）compare_exchange_weak （CAS）

（6）compare_exchange_strong （加强版的CAS，性能略差）

说明：

         compare_exchange_weak和compare_exchange_strong都是比较并更新操作，功能类似，compare_exchange_weak允许偶然出乎意料的返回false，在原始值和比较值一致时，通常比compare_exchange_strong有更高的性能。函数会传入比较值和更新值，进行如下操作：

1）如果原始值与比较值一致，则将原始值修改为更新值，并返回true

2）如果原始值与比较值不一致，则将比较值修改为原始值，并返回false

1.简单累加操作

在多线程中通常需要统计某个操作调用了多少次，此时可以利用原子变量统计比加锁更加高效和快捷，举例如下：

#include 
#include 
 
static std::atomic<unsigned long long> s_sequence_index(0);
 
void no_lock_statistics() {
    std::thread th1([&]{
        for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
            ++s_sequence_index;
        }
    });
    std::thread th2([&]{
        for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
            ++s_sequence_index;
        }
    });
    std::thread th3([&]{
        for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
            ++s_sequence_index;
        }
    });
    std::thread th4([&]{
        for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
            ++s_sequence_index;
        }
    });
    th1.join();
    th2.join();
    th3.join();
    th4.join();
    std::cout << "statistics:: " << s_sequence_index.load() << std::endl;
}
 
int main() {
    no_lock_statistics();
    return 0;
}

运行结果如下：

通过运行看，4个线程同时对一个原子变量操作1000000次++，操作结束原子变量变为4000000，如果s_sequence_index改为普通的类型，操作结束结果不会变为4000000。

2.获取并更新值操作

在实际多线程开发中，往往需要比较，获取和更新某个变量，这一系列操作想要保证原子操作，如果没有原子变量，往往需要增加互斥锁。有了原子变量之后，操作就会变得很容易

#include 
#include 
 
static std::atomic<unsigned long long> s_sequence_index(0);
 
uint64_t get_index() {
    unsigned long long _index = 0;
    do {
        _index = s_sequence_index;
    } while(!s_sequence_index.compare_exchange_weak(_index, _index + 1));
    return (uint64_t)_index;
}
 
void test_get_index() {
    for (int i = 0; i < 100; i++) {
        std::thread([&]{
            std::cout << get_index() << std::endl;
        }).detach();
    }
    getchar();
    std::cout << "end:: " << s_sequence_index << std::endl;
}
 
int main() {
    test_get_index();
    return 0;
}

运行结果如下：

如上图示，多线程不重复的获取原子变量的值，并对其进行更新，保证原子变量值的连续性和排他性。

 

自定义类型原子变量std::atomic的常用操作有：

（1）store（写操作）

（2）load（读操作）

（3）exchange（交换数据）

（4）compare_exchange_weak （CAS）

（5）compare_exchange_strong

如下将展示使用原子操作多线程操作链表的例子

 

#include 
#include 
 
template<typename T>
 class LockFreeList
 {
 private:
    struct Node
    {
        T _data;
        Node* _next;
    
        Node(T const& data): _data(data), _next(nullptr) {
        }
    };
 
public:
    LockFreeList() : _head(nullptr) {
    }
 
    void push(T const& data) {
        Node* new_node = new Node(data); 
        new_node->_next = _head.load();
        while (!_head.compare_exchange_weak(new_node->_next, new_node));
    }
 
    void show() {
        Node* tmpNode = _head;
        while(tmpNode) {
            std::cout << tmpNode->_data << " ";
            tmpNode = tmpNode->_next;
        }
        std::cout << std::endl;
    }
 
private:
    std::atomic _head;
};
 
static LockFreeList<int> _s_lock_free_list;
static std::atomic<int> _s_free_int(0);
 
void test_lock_free_list() {
    for (int i = 0; i < 1000; i++) {
        std::thread([&](){
            _s_lock_free_list.push(_s_free_int++);
        }).detach();
    }
    getchar();
    _s_lock_free_list.show();
}
 
int main() {
    test_lock_free_list();
    return 0;
}

运行结果如下：

 通过测试以看到，数据被无重复的插入到了链表之中。