C++ 原子操作（atomic）

1、atomic概述

所谓原子操作，就是多线程程序中“最小的且不可并行化的”操作。对于在多个线程间共享的一个资源而言，这意味着同一时刻，多个线程中有且仅有一个线程在对这个资源进行操作，即互斥访问。

C++ 11 新增atomic可以实现原子操作

2、非原子操作

#include <thread>
#include <atomic>
#include <iostream>
using namespace std;

int i = 0;
const int maxCnt = 1000000;
void mythread()
{
	for (int j = 0; j < maxCnt; j++)
		i++;  //线程同时操作变量
}

int main()
{
	auto begin = chrono::high_resolution_clock::now();
	thread t1(mythread);
	thread t2(mythread);
	t1.join();
	t2.join();
	auto end = chrono::high_resolution_clock::now();
	cout << "i=" << i << endl;
	cout << "time: " << chrono::duration_cast<chrono::microseconds>(end - begin).count() * 1e-6 << "s" << endl; //秒计时
}

测试结果：发现结果并不是2000000，两个线程同时对共享资源操作会出问题

问题分析：以下是i++反汇编代码

i++这一条程序在计算机中是分几个机器指令来执行的，先把i值赋值给eax寄存器，eax寄存器自加1，然后再把eax寄存器值赋值回i，如果在指令执行过程中发生了线程调度，那么这一套完整的i++指令操作被打断，会发生结果错乱。

举例子：
从图上可知，EAX寄存器进行了两次自加操作，但实际上i的值只加了1

3、加锁

#include <thread>
#include <atomic>
#include <iostream>
#include<mutex>
using namespace std;

int i = 0;
const int maxCnt = 1000000;
mutex mut;
void mythread()
{
	for (int j = 0; j < maxCnt; j++)
	{
		mut.lock();    //加锁操作
		i++;
		mut.unlock();
	}
}

int main()
{

	auto begin = chrono::high_resolution_clock::now();
	thread t1(mythread);
	thread t2(mythread);
	t1.join();
	t2.join();
	auto end = chrono::high_resolution_clock::now();
	cout << "i=" << i << endl;
	cout << "time: " << chrono::duration_cast<chrono::microseconds>(end - begin).count() * 1e-6 << "s" << endl; //秒计时
}

测试结果如图：虽然保证了结果正确，但耗时也增加了

4、atomic代码

使用方法：

atomic<int> i;

对应i++汇编代码如下：
发现调用的atomic类方法operator++，继续追踪。
只需关注红笔标注的代码，lock xadd 指令就是计算机硬件底层提供的原子性支持。

代码实现：

#include <thread>
#include <atomic>
#include <iostream>
#include<mutex>
using namespace std;

atomic<int> i;
//atomic_int32_t i;  两种写法
const int maxCnt = 1000000;
void mythread()
{
	for (int j = 0; j < maxCnt; j++)
	{
		i++;
	}
}

int main()
{

	auto begin = chrono::high_resolution_clock::now();
	thread t1(mythread);
	thread t2(mythread);
	t1.join();
	t2.join();
	auto end = chrono::high_resolution_clock::now();
	cout << "i=" << i << endl;
	cout << "time: " << chrono::duration_cast<chrono::microseconds>(end - begin).count() * 1e-6 << "s" << endl; //秒计时
}

测试结果如下：atomic保证原子性操作的同时，耗时也较低