在多線程環境下,原子操作是指不會被線程調度機制打斷的操作;這種操作一旦開始,就一直運行到結束,中間不會有任何 context switch (切換到另一個線程)。
原子操作可以確保某些特定操作在多線程條件下,不會由于線程切換而導致數據污染。比如,對一個變量的讀/寫操作,就是一個常見的需要原子化的場景。如果把這樣的讀/寫操作設計成原子操作,就可以避免多線程競爭導致的數據不一致問題。
在 C++ 中,對一個變量的自增(++)操作看似很簡單,理論上它包含:
例如:
int i = 0; ++i;
但是在多線程環境下,這三個步驟如果被打斷,可能導致如下結果:
很明顯,實際的運行次數是2次,但最終結果是i=1,這就是數據污染的例子。
為了避免上述情況,C++編譯器在編譯過程中,會自動將一些看似簡單的操作(例如自增操作)轉換為原子指令,從而保證其原子性。
這種特性與具體的編譯器實現相關,比如主流的GNU編譯器和MSVC編譯器都對自增操作進行了優化,確保其原子執行。
所以可以認為,在絕大多數C++實現中,++i這個自增操作是原子的。但是仍有一些例外情況需要注意,比如在嵌入式平臺上可能需要開發者顯式指定操作的原子性。
在不能依賴編譯器優化的情況下,C++11提供了一些方法可以保證操作的原子性:
(1) atomic類型:提供了一些原子類型,對其操作天然原子
int i = 0; ++i;
(2) mutex:使用mutex可以在臨界區內執行一個原子塊
std::mutex m;m.lock();// critical sectioncnt++; m.unlock();
(3) lock-free編程:通過CAS(compare-and-swap)等原子指令實現非阻塞同步
atomic_int val;int expect = val.load();while(!val.compare_exchange_weak(expect, expect + 1)) { expect = val.load(); } atomic_int val;int expect = val.load();while(!val.compare_exchange_weak(expect, expect + 1)) { expect = val.load(); }
綜上所述,在大多數普通的桌面程序和服務端程序中,++i這樣的自增操作可以看作是原子的,編譯器會做出優化。但是對于嵌入式開發等要求原子操作顯式控制的場景,C++11提供了一些新的原子類型和同步原語來保證操作的原子執行。
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