原子类型

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[编辑] 语法

_Atomic ( type-name ) (1) (C11 起)
_Atomic type-name (2) (C11 起)
1) 用作类型指定符;指代新的原子类型
2) 用作类型限定符;指代 type-name 的原子版本。在此作用中,它可以与 constvolatilerestrict 混合使用。尽管不同于其他限定符, type-name 的原子版本可能拥有不同的大小、对齐以及对象表示。
type-name - 任何异于数组或函数的类型。对于 (1)type-name 亦不能为原子或 cvr 限定

头文件 <stdatomic.h> 定义 37 个便利宏,从 atomic_boolatomic_uintmax_t ,它们简化此关键词和内建及库类型的一同使用。

_Atomic const int * p1;  // p 是指向 _Atomic const int 的指针
const atomic_int * p2;   // 同上
const _Atomic(int) * p3; // 同上

[编辑] 解释

原子类型的对象是仅有的免除数据竞争的对象,即它们可以被两个线程共时修改,或先被一个修改再被另一个读取。.

每个原子对象都拥有关联于其自身的修改顺序,即对该对象的完整修改顺序。若从某个线程的视角来看,对于某原子对象M的修改 A 发生先于同一原子对象 M 的修改 B ,则在 M 的修改顺序中 A 的出现先于 B

注意即使每个原子对象都有其自身的修改顺序,它却不是全序;不同线程可能会观测到相异原子对象有相异的修改顺序。

对于所有原子运算,保证有四种连贯:

  • 写写连贯:若原子对象 M 的修改操作 A 先发生于 M 的修改操作 B ,则 M 的修改顺序中 A 出现早于 B 。
  • 读读连贯:若原子对象 M 的值计算 A 先发生于 M 的值计算 B ,且从 M 上的副效应 X 求得 A 值,则 B 所计算得的值要么是 X 所存储的值,要么是 M 上的副效应 Y 所存储的值,其中 Y 在 M 的修改顺序中出现后于 X 。
  • 读写连贯:若原子对象 M 的值计算 A 先发生于 M 上的操作 B ,则从 M 上的副效应 X 求得 A 值,这里 X 在 M 的修改顺序中出现先于 B 。
  • 写读连贯:若在原子对象 M 上的副效应 X 先发生于 M 的值计算 B ,则求值 B 从 X,或从在 M 的修改顺序中出现后于 X 的副效应 Y 求得其值。

一些原子运算亦是同步操作:它们可以拥有附加的释放语义、获取语义,或顺序一致语义。见 memory_order

内建的自增减运算符复合赋值运算符是拥有完全序列一致顺序(如同用 memory_order_seq_cst )的读-修改-写操作。若想要较不严格的同步语义,则可以用标准库函数替代。

原子属性仅对左值表达式有意义。左值到右值转换(模仿从原子区域到 CPU 寄存器的内存读取)会把原子性及其他限定符剥去。

[编辑] 注意

若编译器定义了宏常量 __STDC_NO_ATOMICS__(C11) ,则不提供关键词 _Atomic 以及 <stdatomic.h>

访问原子结构体/联合体的成员是未定义行为。

库类型 sig_atomic_t 不提供线程间同步或内存顺序,仅提供原子性。

volatile 类型不提供线程间同步、内存顺序或原子性。

[编辑] 关键词

_Atomic

[编辑] 示例

#include <stdio.h>
#include <threads.h>
#include <stdatomic.h>
 
atomic_int acnt;
int cnt;
 
int f(void* thr_data)
{
    for(int n = 0; n < 1000; ++n) {
        ++cnt;
        ++acnt;
        // 对于此例,宽松内存顺序是足够的,例如
        // atomic_fetch_add_explicit(&acnt, 1, memory_order_relaxed);
    }
    return 0;
}
 
int main(void)
{
    thrd_t thr[10];
    for(int n = 0; n < 10; ++n)
        thrd_create(&thr[n], f, NULL);
    for(int n = 0; n < 10; ++n)
        thrd_join(thr[n], NULL);
 
    printf("The atomic counter is %u\n", acnt);
    printf("The non-atomic counter is %u\n", cnt);
}

可能的输出:

The atomic counter is 10000
The non-atomic counter is 8644

[编辑] 引用

  • C11 standard (ISO/IEC 9899:2011):
  • 6.7.2.4 Atomic type specifiers (p: 121)
  • 7.17 Atomics <stdatomic.h> (p: 273-286)