12C++11多线程编程之原子操作std::atomic

1 原子操作std::atomic相关概念

前言：

• 原子操作：更小的代码片段，并且该片段必定是连续执行的，不可分割。

1.1 原子操作std::atomic与互斥量的区别

• 1）互斥量：类模板，保护一段共享代码段，可以是一段代码，也可以是一个变量。
• 2）原子操作std::atomic：类模板，保护一个变量。

1.2 为何需要原子操作std::atomic
上面可以看到，为何已经有互斥量了，还要引入std::atomic呢，这是因为互斥量保护的数据范围比较大，我们期望更小范围的保护。并且当共享数据为一个变量时，原子操作std::atomic效率更高。
我们看简单分析几行代码：

int g = 0;//有一全局变量
//假设线程A不断读该变量
int t = g;
//线程B不断写
g++;

//那么我们知道，g++这一行是由许多行汇编代码组成的，
//当我在写入的过程中，A线程刚好读，那么读出来的值就可能存在不确定，
//所以必须保护该共享数据，可以是互斥量或者优选std::atomic

2 代码测试

2.1 测试当对一个共享变量不加保护时的结果
注意：多个线程对int这种全局变量同时写入时不会发生异常或者崩溃，只会造成数据紊乱。而对于容器(迭代器)这些，由于编译器明确其合法性和抛出对应异常，多个线程同时写入是会造成程序异常和崩溃的。

#include<iostream>
#include<thread>
#include<string>
#include<vector>
#include<list>
#include<mutex>
#include<future>

using namespace std;

int g = 0;
void mythread(){
	for (int i = 0; i < 2000000; i++) {
		g++;
	}
}

int main(){

	thread t1(mythread);
	thread t2(mythread);
	t1.join();
	t2.join();

	cout << "g的值为：" << g << endl;
	return 0;
}

当我运行上面代码多次时，结果几乎都是小于200000两百万的，实际上是一定小于两百万的(不考虑程序异常)，这个有的公司面试时会问到原因。

因为A写入的过程中，B也刚好读到A写入之前的值，那么就造成加了两次，结果值只加了1。例如AB同时读到了2，那么它们都加1了，但是结果为3。并且同时写入时，也可能会出现读到一个未确定的值(概率极其小，程序异常可能会出现)，造成写入的结果非常大或者非常小。所以这就很有必要引入原子操作std::atomic，进而保护对应的汇编代码为原子操作。

例如下面结果是：1800030。

2.2 使用原子操作std::atomic
代码非常简单，将上面的代码改成这样即可。这样无论你运行多少次，结果都是两百万。

//int g = 0;
std::atomic<int> g = 0;

2.3 操作bool类型的std::atomic用法

#include<iostream>
#include<thread>
#include<string>
#include<vector>
#include<list>
#include<mutex>
#include<future>

using namespace std;

//int g = 0;
//std::atomic<int> g = 0;
std::atomic<bool> g = false;
void mythread(){
	while (g == false) {
		cout << "mythread运行中,tid= " << this_thread::get_id() << endl;
		this_thread::sleep_for(chrono::seconds(1));
	}
}

int main(){

	thread t1(mythread);
	thread t2(mythread);
	//睡眠5秒让子线程都退出循环
	this_thread::sleep_for(chrono::seconds(5));
	g = true;
	t1.join();
	t2.join();

	cout << "g的值为：" << g << endl;
	return 0;
}

结果：

3 原子操作std::atomic支持的运算符

2.1 测试支持的运算符
我们将2.2(省略了，即2.1修改int成std::atomic即可)的原子操作代码拿来测试。

• 1）测试g = g + 1;
  
• 2）测试g += 1;
• 多次运行皆为两百万，支持。
  

2.2 总结std::atomic支持的运算符

• 1）一般atomic原子操作,针对++、–、+=、&=、|=是支持的。其他的可能不支持。

3 简述原子操作std::atomic的用途

• 1）一般用户统计。例如统计一共发送了多少数据包，接收了多少个数据包。new了多少次，delete了多少次。