初探<atomic>

最近试图在gem5里做一个数据导出的工作，即在运行过程中记录每次内存访问的时间、位置和数据。

本来是打算当一个单线程来写的，但是考虑到本来跑一个程序用时就长，把关键路径做得尽可能短对工作效率比较友好，就开始考虑把io相关的工作单独提取到一个新线程完成，结果不知不觉地把这个问题演变成一个多线程问题了。

由于涉及到并发编程，原子操作和锁是绕不开的两个概念，一轻一重两大门神守护着多线程环境下的数据安全性，而两者在C++下分别对应有最为常用的头文件，<atomic>和<mutex>。由于锁的基本使用较为简单，此文主要记录原子类型变量的基本使用方法。

原子类型所要完成的任务是，确保对该类型的指定操作以原子方式完成。至于为什么一开始不把类型设计成原子操作的，这里涉及硬件设计与软件语义之间的抽象层次差异，换句话说，以硬件成本来看，不值得。数据类型难以有个规范，要是为每种数据类型单独设计一条指令，那光是原子操作指令都能上天。VCISC，超复杂指令集的奠基者

于是乎，现有计算机系统采用了折中方案，即硬件提供一些最基本的指令，再使用一些软件手段，以时间/空间为代价，来拓宽原子操作特性的可用范围。以此为契机，出现了<atomic>这种向用户提供软（也可能是硬）原子操作的语言基础库。

原子操作最常见的用法是使用类模板定义对应类型的变量：

std::atomic<int> atomic_int{0};  // use (0) instead of {0} is okay

上面的代码定义了一个原子操作的int类型变量，并且赋初值为0。注意这里用的是括号初始化，而不是等号赋值。这是因为在定义变量时，operator =并不是将值赋予该变量，而是执行对象复制操作，而翻阅文档，有如下定义：

atomic& operator=( const atomic& ) = delete;

也就是说，语言禁止了atomic对象的复制，只能通过值初始化的方式在变量声明时设置初始值。

介绍完初始化操作之后，就是读写操作了。std::atomic提供了两种对原子变量的读写方式，一是像普通变量一样正常使用，二是load/store接口：

std::atomic<int> val{0};
int tmp = val.load();      // equivalent to `int tmp = val;`
val.store(1);              // equivalent to `val = 1;`

虽然说像普通变量一样写很方便，但是真到读代码的时候原子变量和普通变量混在一起还是挺麻烦的。个人还是觉得用显式的load/store比较好。

然后就是大名鼎鼎的复杂原子操作了。复杂原子操作具有共同的特征：RMW（Read-Modify-Write，读-改-写），而CAS（Compare-And-Swap，比较并交换）则是其中最为基础的RMW操作，所有的复杂RMW操作都可以基于CAS操作完成。对于CAS，<atomic>头文件提供了两种相似的实现方案，compare_exchange_weak和compare_exchange_strong。cplusplus对于这两种方法的区别介绍的非常隐晦，只是说strong方法用起来符合直觉，运行结果是标准的CAS；而weak方法用起来性能更好，但是可能出现假阴性的情况（即使compare结果是允许swap的，但还是判定为不允许，走失败逻辑）。

先是compare_exchange_strong的使用样例。

std::atomic<int> val{0};
int prev = val.load();
val.compare_exchange_strong(prev, newval);

这里取原始值为prev，以该值作为CAS的对比值，如果执行compare_exchange_strong的时候读取到的val仍然是该值的话，则执行CAS操作，将val值设置为newval，并给出返回值true；否则不执行CAS操作，反而将prev值设置为最新读取到的val值，并返回false。

其次是compare_exchange_weak。由于这里可能出现假阴性的逻辑错误，需要额外对代码做一点修改，来保证代码仍然能完成正确的逻辑。

std::atomic<int> val{0};
int prev = val.load();
while(!val.compare_exchange_weak(prev, newval));

可以看到weak的用法与strong略有差别，这里多套了一层while循环。如前面所说，使用while的目的是对付compare_exchange_weak中即使满足CAS条件，但仍然执行失败流程的情况。这种方式并不适用于顺序敏感型的应用，比如乘加操作，不同线程的操作顺序会导致产生截然不同的输出结果；但是对只需要将数据加入指定结构而不要求顺序的类链表操作的话，这个方法还是具有更高的效率的（因为有神秘的性能优化）。

对于部分常见基础类型，std::atomic预先提供了常见运算方式的原子操作实现，比如原子加fetch_add、原子减fetch_sub，对于char/int及其各种衍生基础类，还提供有原子位或fetch_or/位与fetch_or/位异或fetch_xor等原子逻辑操作的实现。