glibc 学习（四）原子操作

# 1 概念

# 1.1 多核处理器的多线程同步

在多核处理器或多个处理器的环境下，多线程同步则更为复杂。因为对于一般通用操作系统而言，核心A是不知道核心B正在处理啥的，尽管对于某些嵌入式实时操作系统（RTOS）而言，一个核心可以给另一个核心发送信号以通知某些事件，但这些均用于特定应用场景，而通用应用级操作系统不会采用这些同步手段，代价太高。正因为如此，在多核多处理器环境下，如果我们要对多线程所共享的一个对象的修改做到数据一致性，那么只能通过原子操作指令！

为何原子操作能起作用？因为原子操作指令通过锁总线等手段，确保多线程对同一共享对象的读-修改-写是原子的。所谓“原子（atomic）”就是指，一组操作在执行时作为一个整体进行，而不会被打断。

# 1.2 原子操作的种类

随着科技的进步，现代多核处理器纷纷引入了无锁（Lock-Free）原子操作，比如比较与交换（Compare and Swap，简称CAS），加载时锁定/有条件存储（Load-locked Store-conditional，简称LL-SC）。 x86处理器使用前者，Alpha、Power、MIPS、RISC-V、ARMv7、ARMv8等则使用后者，而从ARMv8.1开始也引入了CAS原子操作。

# 2 stdatomic.h

# 2.1 类型定义

原子操作库在C11标准中属于可选库，对于一些低端的处理器，尤其像8位的单片机MCU那种完全不具备原子操作指令的系统环境，则可以不提供此库。因此C11标准引入了__STDC_NO_ATOMICS__这个预定义宏来指示当前系统环境下的C11编译器实现是否提供了原子操作标准库。如果定义了这个宏，则说明当前环境下的C11编译器实现没有支持原子操作的标准库。如果支持原子操作标准库，我们就能引入 <stdatomic.h> 这个头文件，这里面声明了所以能被当前C11编译器支持的原子类型以及原子操作函数接口。ubuntu 里的位置为： /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/4.9/include/stdatomic.h。

为了能给程序员提供当前编译环境能支持何种原子操作，C11标准列出了以下这些与定义宏：

// 指示当前编译器能支持 _Bool 类型的无锁原子操作
ATOMIC_BOOL_LOCK_FREE

// 指示当前编译器能支持 signed char、unsigned char、以及char类型的无锁原子操作
ATOMIC_CHAR_LOCK_FREE

// 指示当前编译器能支持 char16_t 类型的无锁原子操作
ATOMIC_CHAR16_T_LOCK_FREE

// 指示当前编译器能支持 char32_t 类型的无锁原子操作
ATOMIC_CHAR32_T_LOCK_FREE

// 指示当前编译器能支持 wchar_t 类型的无锁原子操作
ATOMIC_WCHAR_T_LOCK_FREE

// 指示当前编译器能支持 short、unsigned short 类型的无锁原子操作
ATOMIC_SHORT_LOCK_FREE

// 指示当前编译器能支持 int、unsigned int 类型的无锁原子操作
ATOMIC_INT_LOCK_FREE

// 指示当前编译器能支持 long、unsigned long 类型的无锁原子操作
ATOMIC_LONG_LOCK_FREE

// 指示当前编译器能支持 long long、unsigned long long 类型的无锁原子操作
ATOMIC_LLONG_LOCK_FREE

// 指示当前编译器能支持 ptrdiff_t、intptr_t、uintptr_t 类型的无锁原子操作
ATOMIC_POINTER_LOCK_FREE

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有了这些预定义宏之后，我们就能判定在当前编译环境下可用那些原子操作了。当然，如果当前编译环境能支持原子操作的话，那么它至少应该能支持 atomic_flag 类型。该类型是一个原子标志对象，用于flag test and set原子操作。如果当前的CPU不支持flag test and set，但支持SWAP，那么也可以用SWAP来实现该操作。此外，其他lock-free的原子操作也都能实现flag test and set，包括原子加法、原子逻辑操作、CAS等。因此原子标志操作属于整个原子操作中最最基本的操作方式。

当前C11标准所提供支持的整数原子类型如下所示：

typedef _Atomic(_Bool)              atomic_bool;
typedef _Atomic(char)               atomic_char;
typedef _Atomic(signed char)        atomic_schar;
typedef _Atomic(unsigned char)      atomic_uchar;
typedef _Atomic(short)              atomic_short;
typedef _Atomic(unsigned short)     atomic_ushort;
typedef _Atomic(int)                atomic_int;
typedef _Atomic(unsigned int)       atomic_uint;
typedef _Atomic(long)               atomic_long;
typedef _Atomic(unsigned long)      atomic_ulong;
typedef _Atomic(long long)          atomic_llong;
typedef _Atomic(unsigned long long) atomic_ullong;

// 对于没有定义过char16_t的编译环境，
// 也可能会用 _Atomic(uint_least16_t) 类型来定义其相应的原子类型
typedef _Atomic(char16_t)            atomic_char16_t;

// 对于没有定义过char32_t的编译环境，
// 也可能会用 _Atomic(uint_least32_t) 类型来定义其相应的原子类型
typedef _Atomic(char32_t)            atomic_char32_t;

typedef _Atomic(wchar_t)            atomic_wchar_t;
typedef _Atomic(int_least8_t)       atomic_int_least8_t;
typedef _Atomic(uint_least8_t)      atomic_uint_least8_t;
typedef _Atomic(int_least16_t)      atomic_int_least16_t;
typedef _Atomic(uint_least16_t)     atomic_uint_least16_t;
typedef _Atomic(int_least32_t)      atomic_int_least32_t;
typedef _Atomic(uint_least32_t)     atomic_uint_least32_t;
typedef _Atomic(int_least64_t)      atomic_int_least64_t;
typedef _Atomic(uint_least64_t)     atomic_uint_least64_t;
typedef _Atomic(int_fast8_t)        atomic_int_fast8_t;
typedef _Atomic(uint_fast8_t)       atomic_uint_fast8_t;
typedef _Atomic(int_fast16_t)       atomic_int_fast16_t;
typedef _Atomic(uint_fast16_t)      atomic_uint_fast16_t;
typedef _Atomic(int_fast32_t)       atomic_int_fast32_t;
typedef _Atomic(uint_fast32_t)      atomic_uint_fast32_t;
typedef _Atomic(int_fast64_t)       atomic_int_fast64_t;
typedef _Atomic(uint_fast64_t)      atomic_uint_fast64_t;
typedef _Atomic(intptr_t)           atomic_intptr_t;
typedef _Atomic(uintptr_t)          atomic_uintptr_t;
typedef _Atomic(size_t)             atomic_size_t;
typedef _Atomic(ptrdiff_t)          atomic_ptrdiff_t;
typedef _Atomic(intmax_t)           atomic_intmax_t;
typedef _Atomic(uintmax_t)          atomic_uintmax_t;

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绝大部分处理器都没有提供针对浮点数的原子操作指令，因此C11标准也没有提供任何针对浮点数的原子类型！

# 2.3 原子操作函数接口

C11所提供的原子操作函数接口一般都有两个版本。第一个版本是不带有存储器次序参数的，第二个是带有存储器次序参数的，并且函数名也以 _explicit 结尾。

1. 原子标志相关操作

对于原子标志的相关操作，C11标准提供了初始化、标志测试与设置、标志清除这三个接口。原子标志 atomic_flag 对象本身只有两种状态（即只有两种取值），设置状态（编译器实现一般用 1 或 true 来表示）以及清零状态（编译器实现一般用 0 或 false 来表示）。

C11标准为原子标志类型提供了一个用于初始化的宏—— ATOMIC_FLAG_INIT ，我们应该用这个宏对一个原子标志对象进行初始化，代码示例：

volatile atomic_flag g_flag = ATOMIC_FLAG_INIT;

int main(void)
{
    // 这里展示了如何在函数内对已声明的g_flag进行初始化。
    // 由于atomic_flag通常被定义为一种结构体形式，
    // 而ATOMIC_FLAG_INIT则通常被定义为针对结构体atomic_flag的初始化器，
    // 即：{ ... } 的形式。
    // 因此我们这里使用C99标准所引入的匿名结构体对象的表示语法
    // 对g_flag进行初始化
    g_flag = (atomic_flag)ATOMIC_FLAG_INIT;
}

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初始化之后，原子标志对象即处于“清零状态”。

2. 初始化原子变量（不保证原子性）

// C17 中被弃用
#define ATOMIC_VAR_INIT(VALUE)»■(VALUE)

/* 初始化一个原子对象  */
// 接收一个参数，用于指定该原子对象的初始值。
// 必须注意的是，初始值的类型要与原子对象的整数类型相兼容。
#define atomic_init(PTR, VAL)                           \
  atomic_store_explicit (PTR, VAL, __ATOMIC_RELAXED)
#define ATOMIC_FLAG_INIT»■■■{ 0 }

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3. 操作原子变量（保证原子性）

# 参考

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