std::atomic 是如何实现的

Question

我正在研究 C++11 中mutex和atomic之间的区别。

据我了解， mutex是一种锁机制，是基于操作系统/内核实现的。 例如，Linux 提供了一种机制，即futex 。 在futex的帮助下，我们可以实现mutex和semaphore 。 此外，我知道futex是由低级原子操作实现的，例如CompareAndSet 、 CompareAndSwap 。

对于std::atomic ，我知道它是基于 C++11 引入的内存模型实现的。 但是，我不知道内存模型在低级别是如何实现的。 如果它也是通过像CompareAndSet这样的原子操作来实现的，那么std::atomic和mutex什么区别？

总之，如果std::atomic::is_lock_free给我一个false ，那么我会说std::atomic与mutex相同。 但是如果它给了我一个true ，它是如何在低级别实现的？

Answer 1

如果原子操作是lock_free ，则它们的实现方式可能与互斥锁组件的实现方式相同。 毕竟，要锁定互斥锁，您确实需要某种原子操作来确保只有一个线程锁定互斥锁。

不同之处在于，无锁的原子操作没有“锁定”状态。 让我们比较两种可能的方法来进行变量的原子增量：

首先，互斥方式。 我们锁定一个互斥锁，我们读-增-写变量，然后解锁互斥锁。 如果线程在读-增-写过程中被中断，则其他尝试执行相同操作的线程将阻止尝试锁定互斥锁。 （请参阅std::atomic 的锁在哪里？了解它在某些实际实现中的工作原理，对于太大而无法 lock_free 的对象。）

第二，原子方式。 CPU 仅“锁定”包含我们要在单个读-增-写指令期间修改的变量的缓存行。 （这意味着 CPU 延迟响应 MESI 请求以使缓存行无效或共享，保持独占访问，因此其他 CPU 无法查看它。MESI 缓存一致性总是需要在内核可以修改缓存行之前独占拥有缓存行，因此这是如果我们已经拥有这条线，那么便宜）。 我们不可能在指令中被打断。 另一个试图访问这个变量的线程，最坏的情况是，必须等待缓存一致性硬件找出谁可以修改内存位置。

那么我们如何锁定互斥锁呢？ 可能我们执行原子比较和交换。 所以轻原子操作是组装重互斥操作的原语。

当然，这都是特定于平台的。 但这就是您可能使用的典型现代平台所做的。

Answer 2

std::atomic和 mutex 有什么区别

互斥体是一种并发构造，独立于任何用户数据，提供lock和unlock方法，允许您保护（在其中强制互斥）代码区域。 你可以在那个区域放任何你想要的东西。

std::atomic<T>是类型 T的单个实例上的适配器，允许在每个操作的基础上对该对象进行原子访问。

在std::atomic一种可能实现是使用互斥锁保护对底层对象的所有访问的意义上，互斥锁更通用。

std::atomic存在主要是因为另一个常见的实现：使用原子指令²直接执行操作而不需要互斥锁。 这是当std::atomic<T>::is_lock_free()返回 true 时使用的实现。 这通常比互斥方法更有效，但仅适用于小到可以通过原子指令“一次性”操作的对象。

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²在某些情况下，编译器能够使用普通指令（而不是与并发相关的特殊指令），例如正常加载和存储，前提是它们在相关平台上提供所需的保证。

例如，在 x86 上，编译器实现所有std::atomic加载，对于足够小的值使用普通加载，并使用普通存储实现所有比memory_order_seq_cst弱的存储。 seq_cst存储是使用特殊指令实现的 - 在 10.1 之前的 GCC 上mov之后的尾随mfence ，以及（隐式lock ） xchg mem,reg在 clang、最近的 GCC 和其他编译器上。

另请注意，加载和存储之间的不对称性是编译器的选择：它们本可以对seq_cst加载进行特殊处理，但因为在大多数情况下加载通常会超过速度较慢的存储。 （而且因为快速路径中的廉价负载更有价值。）