在 C/C++ 中原子按位与字节的最佳方法？

Question

目前正在使用 GCC 查看 C/C++ 中的原子操作，发现内存中自然对齐的全局变量具有原子读取和写入。

然而，我试图按位与一个全局变量，并注意到它归结为一个读取-修改-写入序列，如果有多个线程对该字节值进行操作，那么这会很麻烦。

经过一番研究，我选择了这两个例子：

C 示例- GCC 扩展__sync_fetch_and_and

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>

uint8_t byteC = 0xFF;

int main() {
    __sync_fetch_and_and(&byteC, 0xF0);
    printf("Value of byteC: 0x%X\n", byteC);
    return 0;
}

C++ 示例- 使用原子的 C++11fetch_and

#include <iostream>
#include <atomic>

std::atomic<uint8_t> byteCpp(0xFF);

int main() {
    byteCpp.fetch_and(0xF0);
    std::cout << "Value of byteCpp: 0x" << std::hex << static_cast<int>(byteCpp.load()) << std::endl;
    return 0;
}

其他示例如下，但它们似乎不太直观且计算成本更高。

用一个pthread_mutex_lock

uint8_t byte = 0xFF;
pthread_mutex_t byte_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

pthread_mutex_lock(&byte_mutex);
byte &= 0xF0;
pthread_mutex_unlock(&byte_mutex);

使用互斥体lock_guard

#include <mutex>

uint8_t byte;
std::mutex byte_mutex;

void atomic_and() {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(byte_mutex);
    byte &= 0xF0;
}

用一个compare_exchange_weak

std::atomic<uint8_t> byte;

void atomic_and() {
    uint8_t old_val, new_val;
    do {
        old_val = byte.load();
        new_val = old_val & 0xF0;
    } while (!byte.compare_exchange_weak(old_val, new_val));
}

问题

多线程 C/C++ 程序中读取-修改-写入序列的最佳原子方法是什么？

Answer 1

[我]发现内存中自然对齐的全局变量具有原子读取和写入。

这在 C/C++ 意义上是不正确的，仅在 x86_64 意义上是正确的。确实，x86_64 上的任何对齐加载和存储都是原子的，但这对于抽象机来说是不正确的。同时写入内存的非原子位始终是一场数据竞争，线程清理程序可能会发现错误，即使该体系结构理论上使其安全。

此外，原子地执行的最佳方法byte &= 0xf0在 C 和 C++ 中非常相似：

// C++
#include <atomic>
std::atomic_uint8_t byte; // or std::atomic<std::uint8_t>
// ...
std::uint8_t old = byte.fetch_and(0xf0); /* optionally specify memory order */
// or
std::uint8_t old = std::atomic_fetch_and(&byte, 0xf0);

// C (no compiler extensions/intrinsics needed)
#include <stdatomic.h>
atomic_uint8_t byte; // or _Atomic uint8_t
// ...
uint8_t old = atomic_fetch_and(&byte, 0xf0); /* optionally atomic_fetch_and_explicit */

其他方法（POSIX 线程、std::mutex重compare_exchange试循环）几乎肯定比函数形式的内置方法更糟糕fetch_and。如果体系结构不直接提供原子获取与指令，则应选择最佳方式。这不是你需要担心的事情。

也可以看看

• 为什么自然对齐变量的整数赋值在 x86 上是原子的？
• 64 位计算机上的哪些类型在 gnu C 和 gnu C++ 中自然是原子的？-- 意味着它们具有原子读取和原子写入

感谢@PeterCordes 分享这些链接。