2022-08-29 C++并发编程（十六）

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前言

上文讲述了最简单的原子标识，本文讲讲 std::atomic 原子布尔类。相比较 std::atomic_flag ，原子布尔类有更多的操作。

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一、操作 std::atomic 对象

原子布尔类不可拷贝构造，不可拷贝赋值，可通过普通布尔类初始化，可接受普通布尔类赋值（不返回引用），可根据 is_lock_free() 函数判断是否为无锁结构：

    //初始化
    std::atomic<bool> atomicBool(true);

    //是否是无锁结构
    std::cout << atomicBool.is_lock_free() << std::endl;

    //原子变量赋值，但只返回值（false）不返回原子变量的引用
    //这个与普通的赋值语义是完全不同的。
    atomicBool = false;

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std::atomic 可以调用 store() 函数进行写操作，用 load() 函数进行读操作，用 exchange() 函数进行读改写操作，返回原有值，并更新，同时可指定内存顺序.

    //读取原子变量
    bool normalBool = atomicBool.load(std::memory_order_acquire);

    //存储原子变量值
    atomicBool.store(true);

    //更新值(false)，并返回原值(true)
    normalBool = atomicBool.exchange(false, std::memory_order_acq_rel);
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std::atomic 可以调用 compare_exchange_weak() 及 compare_exchange_strong() 函数实现比较替换操作。

与直接获取原值并更新值的 exchange() 不同，比较替换函数 compare_exchange_weak() 及 compare_exchange_strong() 多了一个与原值比较的期望值参数 expected，是引用形式：

public: bool compare_exchange_weak(
    bool &expected, bool __d, std::memory_order __m = memory_order_seq_cst) noexcept

public: bool compare_exchange_strong(
    bool &expected, bool __d, std::memory_order __m = memory_order_seq_cst) noexcept
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当原值与期望值 expected 值一致，则返回true，并更新新值。否则将原值赋予期望值 expected，并返回 false。

weak 版本有一定概率即使原值与期望值 expected 相同，也不会更新既定值，只返回false，即虚假失败（spurious failure），所以通常放在 while 循环中，并且通常效率要高于 strong 版本。

并且比较替换操作还有两个内存顺序参数。

具体细节请看注释：

#include 
#include 

auto main() -> int
{
    //初始化
    std::atomic<bool> atomicBool(true);

    //是否是无锁结构
    std::cout << atomicBool.is_lock_free() << std::endl;

    //原子变量赋值，但只返回值（false）不返回原子变量的引用
    //这个与普通的赋值语义是完全不同的。
    atomicBool = false;

    //读取原子变量
    bool normalBool = atomicBool.load(std::memory_order_acquire);

    //存储原子变量值
    atomicBool.store(true);

    //更新值(false)，并返回原值(true)
    normalBool = atomicBool.exchange(false, std::memory_order_acq_rel);

    bool expected = false;

    //与期待值 expected 比较，如果相同，更新既定值（true），返回true。
    // weak 版本有一定概率即使与 expected  相同，
    //也可能不会更新既定值，即虚假失败（spurious failure）
    //如果与 expected 不同，用原子变量值更新期待值expected，返回false
    //为了剔除虚假失败，我们一般要联合while循环，但语义也就变了,
    //语义变为与期待值比较，相同则更新既定值，不同则将原值赋值给期待值，更新既定值
    while (!atomicBool.compare_exchange_weak(expected, true) && !expected)
    {
    }

    // strong 版本不会产生虚假失败，其余和 weak 版本相同
    //一般 weak 版本更具效率，因为strong版本有内循环
    //但如果需要语义是与期待值（expected）相同则更改为既定值（false）同时返回true
    //否则与期待值不同，只更改期待值，并返回false，则需要用strong版本。
    //另外，此操作可以设定两个内存次序，因为有成功或失败两种状态
    //成功需读改写次序，失败只能是读次序
    //若不设定内存顺序，则为完全顺序，性能最低。
    bool result = atomicBool.compare_exchange_strong(
        expected, false, std::memory_order_acq_rel, std::memory_order_acquire);

    return 0;
}
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总结

原子布尔类操作大都比较简单，只是比较替换操作较难理解，需要多学多练。

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