C++原子操作与内存序 1

2024-03-31 14:00 由 robot2017 发表于 #后端开发

问题

#include<iostream>
#include<thread>
int main()
{
	int sum = 0;
	auto f = [&sum]() {
		for (int i = 0; i < 10000; i++)
			sum += 1;
	};
	std::thread t1(f);
	std::thread t2(f);

	t1.join();
	t2.join();
	std::cout << "the sum of 2 threads is: " << sum << std::endl;
	std::cin.get();
	return 0;
}

这个程序只是简单的通过两个线程对同一个变量进行累加10000次，正常不管线程执行的先后顺序，结果都应该是20000才对，可实际输出结果如图所示，程序的输出3次的结果都不一样，不一定是预期的20000；

分析

对于+1操作，具体执行可以分为3个操作，如下图所示：

可以看出问题发生在两个线程写的时候，如线程1刚写完，线程2继续写，则丢失一次加法。所以得出的值往往小于20000。

解决

可以通过std::mutex加锁对变量操作进行保护，有没有不用锁也能实现的呢？C++中提供了原子操作可以实现这一目标。

代码如下：

	std::atomic<int> sum1 = 0;
	auto f1 = [&sum1]() {
		for (int i = 0; i < 10000; i++)
			sum1+=1;
	};

	std::thread t3(f1);
	std::thread t4(f1);

	t3.join();
	t4.join();
	std::cout << "the sum of 2 threads with atomic is: " << sum1 << std::endl;

输出如下：

可以看出未原子化的sum仍然是每次结果不尽相同，而原子化的sum1每次结果都为20000。
所谓原子操作指的是不可分割的操作，可以理解为只能编译成一条单独的CPU执行指令，不可以再分解，C++中，基本通过原子类型来实现原子操作。这种原子类型为std::atomic<T>,其中模板参数T为基本的数据类型，如bool,char，int，指针等。
程序中将sum1原子化，并调用+=操作符（已重载为原子操作），之前分解的3步成了不可分割的1步，所以不会出现两个线程同时已经进入写的状态，进而能保证累加结果的正确。

注意事项

若累加操作改为sum1=sum1+1，就不是原子操作了，结果与sum没有差别

int型++/+=是原子操作fetch_add()的重载，类似的还有fetch_sub()/fetch_and/fetch_or()/fetch_xor()