C11原子操作

C11原子操作

C11原子操作API

在C11标准中，首次引入原子操作。

头文件：stdatomic.h

标准定义了__STDC_NO_ATOMICS__宏，用来在编译时检测是否支持stdatomic。

同时还有一系列宏和函数用来判断各种数据类型在当前的实现中是否支持原子操作，例如：ATOMIC_CHAR_LOCK_FREE,atomic_is_lock_free。

同时，标准定义了许多原子数据类型，例如：atomic_char，atomic_int。

初始化原子变量可以使用如下函数，但不保证原子性（当然一般也不会在多线程中进行初始化）。

• ATOMIC_VAR_INIT
• atomic_init
• ATOMIC_FLAG_INIT

操作原子变量则使用如下函数，保证原子性：

• 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对原子操作的支持

在C11之前，gcc对原子操作的支持是通过builtin函数实现的，即__sync前缀的函数。

在C11发布之后，gcc通过stdatomic.h提供标准接口。gcc在4.9版本之后才正式、完备的支持stdatomic，在编译命令中加上-std=c11或-std=gnu11即可。如果是之前的版本，那只能使用builtin函数了。

使用样例

下面的例子开启4个线程，每个线程都对全局变量sum执行累加操作，如果不使用原子操作的话，最终输出的sum值往往会比正确结果少：

#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;
}

编译执行：

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

即使把定义全局变量sum的地方改为volatile int sum = 0;依然不能解决问题，原因在于volatile关键字使得编译器对生成的机器代码不做优化，每次访问sum变量时必须访问内存而不是硬件寄存器。虽然如此，但连续两次访问sum变量仍然不是原子的。而sum++生成的机器代码会先读取sum到寄存器，寄存器加1后，再存回内存，显然不能保证原子性。

那要如何保证对sum++是原子性的呢？答案就是使用C11提供的原子操作。更改后的代码如下：

#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，这里使用atomic_int类型来定义sum变量，使用atomic_fetch_add(&sum, 1);累加sum。

编译运行看下：

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

多次运行程序sum结果都是正确的。