为什么标准库不以无锁方式为8字节以下的结构实现std :: atomic？

Question

假设该体系结构可以为std :: atomic以无锁方式支持8字节标量。 为什么标准库不为8字节以下的结构提供类似的特化？

这种std :: atomic特化的简单实现只能将结构序列化/反序列化（使用std::memcpy ）到等效的std::uintx_t ，其中x是结构的宽度（以位为单位）（舍入为最接近的幂） 2大于或等于结构的宽度）。 这将被很好地定义，因为std :: atomic需要这些结构是可以轻易复制的。

例如。 https://godbolt.org/z/sxSeId ，这里Something只有3个字节，但实现调用__atomic_load和__atomic_exchange ，两者都使用锁表。

Answer 1

使用struct Something { alignas(4) char a; char b,c; }; struct Something { alignas(4) char a; char b,c; }; （不是alignas(4) char a,b,c;因为这会使每个 char填充为4个字节，因此它们可以各自对齐。）

具有非2次幂大小的对象可能跨越高速缓存行边界，因此使用更宽的4字节负载并不总是可行的。

加上纯商店总是必须使用CAS（例如lock cmpxchg ）来避免发明写入对象外的字节：显然你不能使用两个单独的mov存储（2字节+ 1字节），因为这不会是原子的，除非你在带有重试循环的TSX事务中这样做。

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对于不跨越8字节边界的内存访问，x86加载/存储仅保证原子性。 （在一些供应商/搜索中，缓存行边界。或者对于可能不可缓存的加载/存储，基本上自然对齐是您需要的）。 为什么在x86上对自然对齐的变量进行整数赋值？

你的struct Something { char a, b, c; }; struct Something { char a, b, c; }; 没有对齐要求所以没有C ++规则阻止Something对象跨越2个缓存行。 这将使个纯mov它加载/存储绝对非原子。

gcc和铛选择实现atomic<T>用相同的布局/对象的表示为T （无论是无锁的或没有）。 因此， atomic<Something>是一个3字节的对象。 因此， atomic<Something>的数组必然会有一些跨越缓存行边界的对象，并且不能在对象外部填充，因为这不是数组在C中的工作方式sizeof() = 3告诉您数组布局。 这使得无锁atomic<Something>变得不可能。 （除非你使用lock cmpxchg加载/存储即使在缓存行拆分时也是原子的，否则会在发生这种情况时产生巨大的性能损失。更好地让开发人员修复它们的结构。）

atomic<T>类可以具有比T更高的对齐要求，例如atomic<int64_t>具有alignof（atomic_int64_t）== 8，与许多32位平台（包括i386 System V alignof(int64_t) == 4上的alignof(int64_t) == 4不同ABI）。

如果gcc / clang没有选择保持布局相同，那么他们可能有atomic<T>垫小对象，直到2的下一个幂并添加对齐，这样它们就可以无锁。 这将是一个有效的实现选择。 我想不出任何缺点。

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有趣的是，gcc的C11 _Atomic支持在具有64位无锁原子的32位平台上略有破坏 ： _Atomic _Atomic int64_t可能在结构内部未对齐导致撕裂。 他们仍然没有更新_Atomic类型的ABI以具有自然对齐。

但是g ++的C ++ 11 std :: atomic在一个标题中使用了一个模板类来修复那个bug（ https://gcc.gnu.org/bugzilla/show_bug.cgi?id=65147 ）; 确保atomic<T>具有自然对齐（最大为2个大小的幂），即使T具有对齐<大小。 因此，他们无法跨越任何边界。