原子操作(待更新)

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1、原子操作
原子操作（atomic operation）指的是由多步操作组成的一个操作。如果该操作不能原子地执行，则要么执行完所有步骤，要么一步也不执行，不可能只执行所有步骤的一个子集。

现代操作系统中，一般都提供了原子操作来实现一些同步操作，所谓原子操作，也就是一个独立而不可分割的操作。在单核环境中，一般的意义下原子操作中线程不会被切换，线程切换要么在原子操作之前，要么在原子操作完成之后。更广泛的意义下原子操作是指一系列必须整体完成的操作步骤，如果任何一步操作没有完成，那么所有完成的步骤都必须回滚，这样就可以保证要么所有操作步骤都未完成，要么所有操作步骤都被完成。

例如在单核系统里，单个的机器指令可以看成是原子操作（如果有编译器优化、乱序执行等情况除外）；在多核系统中，单个的机器指令就不是原子操作，因为多核系统里是多指令流并行运行的，一个核在执行一个指令时，其他核同时执行的指令有可能操作同一块内存区域，从而出现数据竞争现象。多核系统中的原子操作通常使用内存栅障（memory barrier）来实现，即一个CPU核在执行原子操作时，其他CPU核必须停止对内存操作或者不对指定的内存进行操作，这样才能避免数据竞争问题。

在C++11之前，C++标准中并没有对原子操作进行规定。vs和gcc编译器提供了原子操作的api。

2、windows原子操作api
Win32 API中常用的原子操作主要有三类，一种是加1减1操作，一种是比较交换操作，另外一种是赋值（写）操作。

（1）原子加1减1操作
LONG InterlockedIncrement( LONG volatile* Addend);

LONG InterlockedDecrement( LONG volatile* Addend);

（2）  比较并交换操作
LONG InterlockedCompareExchange( LONG volatile*Destination, LONG Exchange, LONG Comperand );

这个操作是先将Comperand的值和Destination指向变量的值进行比较，如果相等就将Exchange变量的值赋给Destination指向的变量。返回值为未修改前的Destination位置的初始值。

（3）原子写操作
LONG InterlockedExchange( LONG volatile* Target, LONG Value);

InterlockedExchange的作用为将Value的值赋给Target指向的变量，返回Target指向变量未被赋值前的值。

3、GCC编译器提供的原子操作API
type __sync_fetch_and_add (type *ptr, type value);
type __sync_fetch_and_sub (type *ptr, type value);
type __sync_fetch_and_or (type *ptr, type value);
type __sync_fetch_and_and (type *ptr, type value);
type __sync_fetch_and_xor (type *ptr, type value);
type __sync_fetch_and_nand (type *ptr, type value);
type __sync_add_and_fetch (type *ptr, type value);
type __sync_sub_and_fetch (type *ptr, type value);
type __sync_or_and_fetch (type *ptr, type value);
type __sync_and_and_fetch (type *ptr, type value);
type __sync_xor_and_fetch (type *ptr, type value);
type __sync_nand_and_fetch (type *ptr, type value);

4、C++11提供的原子操作
C++11中在<atomic>中定义了atomic模板类，atomic的模板参数类型可以为int、long、bool等等，C++中称为trivially copyable type。atomic_int、atomic_long为atomic模板实例化后的宏定义。atomic具体的原子操作函数可以参考http://www.cplusplus.com/reference/atomic/atomic/?kw=atomic。

5、原子操作的效率
（1）不加锁也不使用原子变量的程序
程序代码：

输出：

 

（2）加锁的程序
程序代码：

 

输出：

 

3.使用C++11原子变量的程序
程序代码和输出：

 

 

 （4）结论
上面的第一个不加锁程序肯定是最不推荐使用的，因为它的执行结果都不正确。第二个程序是使用的常规锁来解决问题，结果正确，但是耗时较久。第三个程序使用的是C++11引入的原子数据类型，使用它程序结果正确，在运行速度上也比加锁的版本快很多。所以，在我们平常写程序的过程中，推荐使用C++11引入的原子变量。

6、什么时候使用原子操作
在多线程并发的条件下，所有不是原子性的操作需要保证原子性时，都需要进行原子操作处理。

例：

long count = 0;

void func()

{

  count++;

}

如果有n个线程同时执行这段代码，所有线程执行完后，count的值不一定等于n。因为count++不是一个原子操作，编译成汇编代码，如下所示：

MOV   eax, [count] 

INC  eax

MOV [count], eax

在cpu执行时 

第一步，先将 count所在内存的值加载到寄存器；

第二步，将寄存器的值自增1；

第三步，将寄存器中的值写回内存。

所以当第一个线程将count值加载到寄存器，并完成自增1，这时寄存器中的值为2，如果此时cpu调度将此线程中断，并执行完其它线程后，再将此线程调度执行，此时，会将2写入到count。count最后的值就成了2。如果要确保改结果正确，那么cout++就要使用原子操作类型。

上述示例中，count的操作如果为count = count + 2，那么也需要原子操作，而如果为count=2或者count==2，则不需要原子操作，因为它们本身的操作就是具有原子性的。
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