C11原子操作

C11原子操作API

在C11標準中，首次引入原子操作。

頭文件：stdatomic.h

標準定義了__STDC_NO_ATOMICS__宏，用來在編譯時檢測是否支持stdatomic。

同時還有一系列宏和函數(shù)用來判斷各種數(shù)據(jù)類型在當前的實現(xiàn)中是否支持原子操作，例如：ATOMIC_CHAR_LOCK_FREE,atomic_is_lock_free。

同時，標準定義了許多原子數(shù)據(jù)類型，例如：atomic_char，atomic_int。

初始化原子變量可以使用如下函數(shù)，但不保證原子性（當然一般也不會在多線程中進行初始化）。

• ATOMIC_VAR_INIT
• atomic_init
• ATOMIC_FLAG_INIT

操作原子變量則使用如下函數(shù)，保證原子性：

• atomic_store
• atomic_load
• atomic_exchange
• atomic_compare_exchange_strong, atomic_compare_exchange_weak
• atomic_fetch_add, atomic_fetch_sub, atomic_fetch_or, atomic_fetch_xor, atomic_fetch_and
• atomic_flag_test_and_set
• atomic_flag_clear

gcc對原子操作的支持

在C11之前，gcc對原子操作的支持是通過builtin函數(shù)實現(xiàn)的，即__sync前綴的函數(shù)。

在C11發(fā)布之后，gcc通過stdatomic.h提供標準接口。gcc在4.9版本之后才正式、完備的支持stdatomic，在編譯命令中加上-std=c11或-std=gnu11即可。如果是之前的版本，那只能使用builtin函數(shù)了。

使用樣例

下面的例子開啟4個線程，每個線程都對全局變量sum執(zhí)行累加操作，如果不使用原子操作的話，最終輸出的sum值往往會比正確結(jié)果少：

#include <stdio.h> #include <pthread.h>int sum = 0;void *func(void *param) {for (int i = 0; i < 100000; ++i) {sum++;}return NULL; }int main() {pthread_t t1, t2, t3, t4;pthread_create(&t1, NULL, func, NULL);pthread_create(&t2, NULL, func, NULL);pthread_create(&t3, NULL, func, NULL);pthread_create(&t4, NULL, func, NULL);pthread_join(t1, NULL);pthread_join(t2, NULL);pthread_join(t3, NULL);pthread_join(t3, NULL);printf("sum = %d\n", sum);return 0; }

編譯執(zhí)行：

$ gcc sum1.c -o sum1 $ ./sum1 sum = 128093 $ ./sum1 sum = 276478 $ ./sum1 sum = 341649

即使把定義全局變量sum的地方改為volatile int sum = 0;依然不能解決問題，原因在于volatile關(guān)鍵字使得編譯器對生成的機器代碼不做優(yōu)化，每次訪問sum變量時必須訪問內(nèi)存而不是硬件寄存器。雖然如此，但連續(xù)兩次訪問sum變量仍然不是原子的。而sum++生成的機器代碼會先讀取sum到寄存器，寄存器加1后，再存回內(nèi)存，顯然不能保證原子性。

那要如何保證對sum++是原子性的呢？答案就是使用C11提供的原子操作。更改后的代碼如下：

#include <stdio.h> #include <pthread.h> #include <stdatomic.h>atomic_int sum = ATOMIC_VAR_INIT(0);void *func(void *param) {for (int i = 0; i < 100000; ++i) {atomic_fetch_add(&sum, 1);}return NULL; }int main() {pthread_t t1, t2, t3, t4;pthread_create(&t1, NULL, func, NULL);pthread_create(&t2, NULL, func, NULL);pthread_create(&t3, NULL, func, NULL);pthread_create(&t4, NULL, func, NULL);pthread_join(t1, NULL);pthread_join(t2, NULL);pthread_join(t3, NULL);pthread_join(t4, NULL);printf("sum = %d\n", atomic_load(&sum));return 0; }

可以看到，這里使用atomic_int類型來定義sum變量，使用atomic_fetch_add(&sum, 1);累加sum。

編譯運行看下：

$ gcc -std=c11 sum2.c -o sum2 $ ./sum2 sum = 400000 $ ./sum2 sum = 400000 $ ./sum2 sum = 400000 $ ./sum2 sum = 400000

多次運行程序sum結(jié)果都是正確的。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的C11原子操作的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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