C++ 并发编程系列笔记，ch5笔记

C++ 并发笔记

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Created 2021.02.05 by William Yu; Last modified: 2022.09.16-v1.1.0

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CH5

Chapter Five: 内存模型与原子操作

References

https://www.kancloud.cn/jxm_zn/cpp_concurrency_in_action/264956

5.0 Concepts

内存模型
原子类型
原子操作

5.1 内存模型

5.1.1 对象的存储形式

每一个变量都是一个对象，包括成员变量的对象
每个对象至少占有一个内存位置
基本类型都有确定的内存位置
相邻位域是相同内存中的一部分

5.1.2 考虑并发

所有东西都在内存中。
当两个线程访问不同(separate)的内存位置时，不会存在任何问题，一切都工作顺利。
而当两个线程访问同一(same)个内存位置，你就要小心了。
- 如果没有线程更新内存位置上的数据，那还好；只读数据不需要保护或同步。
- 当有线程对内存位置上的数据进行修改，那就有可能会产生条件竞争，

5.2 原子操作与原子类型

5.1.1 原子操作

原子操作：一类不可分割的操作，
- 当这样操作在任意线程中进行一半的时候，你是不能查看的
- 它的状态要不就是完成，要不就是未完成
- 注意：加锁不加锁的前提是看能不能cpu一条指令读取到
  - CPU 同内存交换数据的最小内存单位为4字节
  - 因此小于 4 字节的无需加锁，如 int, char。
  - 而大于4 字节的, 如 double, 64位的 long 需要加锁。
  - 以上只是对其读写不需加锁, 对 i++ 这类组合操作,仍需加锁。
非原子操作：
- 可能会被视为由一个线程完成一半的操作
- 如果这种是一个存储操作，那么其他线程看到的，可能既不是存储前的值，也可能不是已存储的值

5.2.2 原子类型

std::atomic

头文件

#include <atomic>

类型

原子类型	相关特化类
atomic_bool	std::atomic
atomic_char	std::atomic
atomic_schar	std::atomic
atomic_uchar	std::atomic
atomic_int	std::atomic
atomic_uint	std::atomic
atomic_short	std::atomic
atomic_ushort	std::atomic
atomic_long	std::atomic
atomic_ulong	std::atomic
atomic_llong	std::atomic
atomic_ullong	std::atomic
atomic_char16_t	std::atomic
atomic_char32_t	std::atomic
atomic_wchar_t	std::atomic

使用

  std::atomic_int times_ = {0}; // 初始化时使用{}

使用时不用考虑锁，直接当做正常变量使用即可。

5.3 栅栏

参 https://www.kancloud.cn/jxm_zn/cpp_concurrency_in_action/264956#51__12 5.3小节

5.3.1 内存栅栏的概念

内存栅栏(Memory Fence)是一种同步原语，用于控制内存访问的顺序
主要作用：
- 防止指令重排
- 确保内存操作的可见性
- 保证多线程间的同步

5.3.2 栅栏类型

C++提供了三种内存栅栏：

获取栅栏(Acquire Fence)

std::atomic_thread_fence(std::memory_order_acquire);

确保栅栏后的所有读操作不会被重排到栅栏之前
用于读取共享数据时

释放栅栏(Release Fence)

std::atomic_thread_fence(std::memory_order_release);

确保栅栏前的所有写操作不会被重排到栅栏之后
用于写入共享数据时

全栅栏(Full Fence)

std::atomic_thread_fence(std::memory_order_seq_cst);

最严格的内存序
确保栅栏前后的所有操作都不会被重排
保证所有线程看到相同的操作顺序

5.3.3 使用场景

生产者-消费者模式 ```cpp // 生产者 data = new_value; std::atomic_thread_fence(std::memory_order_release); ready = true;

// 消费者 while (!ready) { std::this_thread::yield(); } std::atomic_thread_fence(std::memory_order_acquire); value = data;

2. 双重检查锁定模式
```cpp
if (!initialized) {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex);
    if (!initialized) {
        // 初始化操作
        std::atomic_thread_fence(std::memory_order_release);
        initialized = true;
    }
}

5.3.4 注意事项

栅栏操作开销较大，应谨慎使用
优先使用原子操作的内存序参数，而不是显式栅栏
栅栏主要用于需要精确控制内存序的场景
过度使用栅栏会影响性能

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