std::atomic 多くのISAがハードウェアを直接サポートしているために存在します
C ++標準について述べstd::atomicていることは、他の回答で分析されています。
それではstd::atomic、別の種類の洞察を得るために何がコンパイルされるかを見てみましょう。
この実験の主な要点は、最近のCPUがアトミック整数演算（x86のLOCKプレフィックスなど）を直接サポートし、std::atomic基本的にそれらの命令へのポータブルインターフェイスとして存在するということです：x86アセンブリでの "lock"命令の意味は？aarch64では、LDADDが使用されます。
このサポートにより、などのより一般的なメソッドのより高速な代替が可能になりstd::mutex、より複雑なマルチ命令セクションをアトミックにすることができますが、Linuxでシステムコールを実行するstd::atomicためにかかる速度よりも遅くなります。参照：std :: mutexはフェンスを作成しますか？std::mutexfutexstd::atomic
複数のスレッドにわたってグローバル変数をインクリメントする次のマルチスレッドプログラムを考えてみましょう。使用されるプリプロセッサ定義に応じて異なる同期メカニズムが使用されます。
main.cpp
#include <atomic>
#include <iostream>
#include <thread>
#include <vector>
size_t niters;
#if STD_ATOMIC
std::atomic_ulong global(0);
#else
uint64_t global = 0;
#endif
void threadMain() {
for (size_t i = 0; i < niters; ++i) {
#if LOCK
__asm__ __volatile__ (
"lock incq %0;"
: "+m" (global),
"+g" (i) // to prevent loop unrolling
:
:
);
#else
__asm__ __volatile__ (
""
: "+g" (i) // to prevent he loop from being optimized to a single add
: "g" (global)
:
);
global++;
#endif
}
}
int main(int argc, char **argv) {
size_t nthreads;
if (argc > 1) {
nthreads = std::stoull(argv[1], NULL, 0);
} else {
nthreads = 2;
}
if (argc > 2) {
niters = std::stoull(argv[2], NULL, 0);
} else {
niters = 10;
}
std::vector<std::thread> threads(nthreads);
for (size_t i = 0; i < nthreads; ++i)
threads[i] = std::thread(threadMain);
for (size_t i = 0; i < nthreads; ++i)
threads[i].join();
uint64_t expect = nthreads * niters;
std::cout << "expect " << expect << std::endl;
std::cout << "global " << global << std::endl;
}
GitHubアップストリーム。
コンパイル、実行、逆アセンブル：
comon="-ggdb3 -O3 -std=c++11 -Wall -Wextra -pedantic main.cpp -pthread"
g++ -o main_fail.out $common
g++ -o main_std_atomic.out -DSTD_ATOMIC $common
g++ -o main_lock.out -DLOCK $common
./main_fail.out 4 100000
./main_std_atomic.out 4 100000
./main_lock.out 4 100000
gdb -batch -ex "disassemble threadMain" main_fail.out
gdb -batch -ex "disassemble threadMain" main_std_atomic.out
gdb -batch -ex "disassemble threadMain" main_lock.out
非常に可能性の高い「間違った」競合状態出力main_fail.out：
expect 400000
global 100000
他の決定論的な「正しい」出力：
expect 400000
global 400000
の分解main_fail.out：
0x0000000000002780 <+0>: endbr64
0x0000000000002784 <+4>: mov 0x29b5(%rip),%rcx # 0x5140 <niters>
0x000000000000278b <+11>: test %rcx,%rcx
0x000000000000278e <+14>: je 0x27b4 <threadMain()+52>
0x0000000000002790 <+16>: mov 0x29a1(%rip),%rdx # 0x5138 <global>
0x0000000000002797 <+23>: xor %eax,%eax
0x0000000000002799 <+25>: nopl 0x0(%rax)
0x00000000000027a0 <+32>: add $0x1,%rax
0x00000000000027a4 <+36>: add $0x1,%rdx
0x00000000000027a8 <+40>: cmp %rcx,%rax
0x00000000000027ab <+43>: jb 0x27a0 <threadMain()+32>
0x00000000000027ad <+45>: mov %rdx,0x2984(%rip) # 0x5138 <global>
0x00000000000027b4 <+52>: retq
の分解main_std_atomic.out：
0x0000000000002780 <+0>: endbr64
0x0000000000002784 <+4>: cmpq $0x0,0x29b4(%rip) # 0x5140 <niters>
0x000000000000278c <+12>: je 0x27a6 <threadMain()+38>
0x000000000000278e <+14>: xor %eax,%eax
0x0000000000002790 <+16>: lock addq $0x1,0x299f(%rip) # 0x5138 <global>
0x0000000000002799 <+25>: add $0x1,%rax
0x000000000000279d <+29>: cmp %rax,0x299c(%rip) # 0x5140 <niters>
0x00000000000027a4 <+36>: ja 0x2790 <threadMain()+16>
0x00000000000027a6 <+38>: retq
の分解main_lock.out：
Dump of assembler code for function threadMain():
0x0000000000002780 <+0>: endbr64
0x0000000000002784 <+4>: cmpq $0x0,0x29b4(%rip) # 0x5140 <niters>
0x000000000000278c <+12>: je 0x27a5 <threadMain()+37>
0x000000000000278e <+14>: xor %eax,%eax
0x0000000000002790 <+16>: lock incq 0x29a0(%rip) # 0x5138 <global>
0x0000000000002798 <+24>: add $0x1,%rax
0x000000000000279c <+28>: cmp %rax,0x299d(%rip) # 0x5140 <niters>
0x00000000000027a3 <+35>: ja 0x2790 <threadMain()+16>
0x00000000000027a5 <+37>: retq
結論：
非アトミックバージョンはグローバルをレジスタに保存し、レジスタをインクリメントします。
したがって、最後に、同じ「間違った」値の4つの書き込みがグローバルに発生する可能性が非常に高くなります100000。
std::atomicにコンパイルされlock addqます。LOCKプレフィックスは、次のincフェッチ、変更、および更新をアトミックに行います。
明示的なインラインアセンブリのLOCKプレフィックスは、の代わりに使用されるstd::atomicことを除いて、とほぼ同じようにコンパイルされます。私たちのINCが1バイト小さいデコードを生成したことを考えると、GCCがを選択した理由がわかりません。incaddadd
ARMv8では、新しいCPUでLDAXR + STLXRまたはLDADDを使用できます。プレーンCでスレッドを開始するにはどうすればよいですか？
Ubuntu 19.10 AMD64、GCC 9.2.1、Lenovo ThinkPad P51でテスト済み。
a.fetch_add(12)アトミックRMW が必要な場合のようなものを使用する必要があります。