std::atomic 是如何实现的

Question

我正在研究C++11 中mutex和之间的区别atomic。

据我了解，mutex是一种基于操作系统/内核实现的锁机制。例如，Linux 提供了一种机制，即futex. 在 的帮助下futex，我们可以实现mutex和semaphore。此外，我知道这futex是由低级原子操作实现的，例如CompareAndSet, CompareAndSwap。

对于std::atomic，我知道它是基于C++11引入的内存模型实现的。但是，我不知道内存模型在低级别是如何实现的。如果也是通过原子操作之类CompareAndSet的方式实现的，std::atomic和 和 有mutex什么区别？

总之，如果std::atomic::is_lock_free给我一个false，好吧，我会说这std::atomic与mutex. 但是如果它给了我一个true，它是如何在低级别实现的？

Answer 1

std::atomic和互斥体有什么区别

互斥体是一种并发构造，独立于任何用户数据、产品lock和unlock方法，允许您保护代码区域（在其中强制互斥）。你可以在该区域放置任何你想要的东西。

std::atomic<T>是类型 T 的单个实例的适配器，允许基于每个操作对该对象进行原子访问。

互斥体更通用，因为一种可能的实现std::atomic是使用互斥体保护对底层对象的所有访问。

std::atomic存在主要是因为其他常见的实现：使用原子指令²直接执行操作而不需要互斥体。std::atomic<T>::is_lock_free()这是返回 true时使用的实现。这通常比互斥方法更有效，但仅适用于足够小的对象，可以通过原子指令“一次性”操作。

²在某些情况下，如果编译器在相关平台上提供所需的保证，则编译器能够使用普通指令（而不是特殊的并发相关指令），例如正常加载和存储。

例如，在 x86 上，编译器通过普通加载实现所有std::atomic足够小的值的加载，并实现比memory_order_seq_cst普通存储弱的所有存储。seq_cst然而，存储是通过特殊指令实现的 - 10.1 之前的 GCC 上的尾随，以及 clang、最近的 GCC 和其他编译器上的（隐mfence式）。movlockxchg mem,reg

另请注意，加载和存储之间的不对称是编译器的选择：它们可以对seq_cst加载进行特殊处理，但由于加载通常多于存储，因此在大多数情况下速度较慢。（而且因为快速路径中的廉价负载更有价值。）

Answer 2

如果原子操作是lock_free，则它们的实现方式可能与互斥锁组件的实现方式相同。毕竟，要锁定互斥锁，您确实需要某种原子操作来确保只有一个线程锁定互斥锁。

不同之处在于，无锁的原子操作没有“锁定”状态。让我们比较两种可能的方法来进行变量的原子增量：

首先，互斥方式。我们锁定一个互斥锁，我们读-增-写变量，然后解锁互斥锁。如果线程在读-增-写过程中被中断，则其他尝试执行相同操作的线程将阻止尝试锁定互斥锁。（请参阅std::atomic 的锁在哪里？了解它在某些实际实现中的工作原理，对于太大而无法 lock_free 的对象。）

第二，原子方式。CPU 仅“锁定”包含我们要在单个读-增-写指令期间修改的变量的缓存行。（这意味着 CPU 延迟响应 MESI 请求以使缓存行无效或共享，保持独占访问，因此其他 CPU 无法查看它。MESI 缓存一致性始终需要在内核可以修改缓存行之前独占拥有缓存行，因此这是如果我们已经拥有这条线，那么便宜）。我们不可能在指令中被打断。另一个试图访问这个变量的线程，最坏的情况是，必须等待缓存一致性硬件找出谁可以修改内存位置。

那么我们如何锁定互斥锁呢？可能我们执行原子比较和交换。所以轻原子操作是组装重互斥操作的原语。

当然，这都是特定于平台的。但这就是您可能使用的典型现代平台所做的。