第二十一章：原子操作与内存一致性

级别 3 -- 经验

使用原子操作和内存排序进行无锁编程——C 并发的最深层次，编译器和 CPU 都是你要对抗的对手。

原子操作是所有高级并发原语的基础。互斥量使用原子操作。条件变量使用原子操作。即使是多线程程序中最简单的"这个标志是否设置？"检查也需要原子操作才能保证正确性。本章涵盖了本书中技术要求最高的内容。

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21.1 先行发生关系

当两个线程访问相同的内存时，这些访问"发生"的顺序并不总是清楚的。编译器可能重排指令。CPU 可能重排内存操作。缓存层次结构可能延迟可见性。

先行发生（happened-before）关系定义了一个操作是否保证对另一个操作可见：

// C 深入：先行发生
// 线程 1：              线程 2：
// x = 1;                if (flag == 1)
// flag = 1;                 assert(x == 1);  // 可能失败

没有适当的同步，线程 2 可能看到 flag == 1 但 x == 0。编译器或 CPU 可能重排存储，或者缓存可能在线程 2 读取 flag 时尚未传播对 x 的写入。

C 深入： 先行发生关系由 C 标准定义（以及之前的 Java 内存模型）。它是一种偏序关系：并非所有操作都彼此有序。只有通过同步（互斥量加锁/解锁、具有适当内存排序的原子操作）连接的操作才能建立先行发生关系。

关键洞察：程序顺序不是内存顺序。你编写的代码不是 CPU 执行的顺序，也不是其他线程观察效果的顺序。

Auto 的方法。 Auto 的 Actor 模型完全避免了这个问题。每个 Actor 拥有自己的数据。消息按顺序传递。没有共享可变状态意味着没有内存排序问题。

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21.2 提供同步的 C 库调用

C11 通过 <stdatomic.h> 提供原子操作：

// C 深入：原子操作
#include <stdatomic.h>
#include <stdio.h>
#include <threads.h>

static _Atomic int counter = 0;

int worker(void *arg) {
    for (int i = 0; i < 100000; i++) {
        atomic_fetch_add(&counter, 1);
    }
    return 0;
}

int main(void) {
    thrd_t t1, t2;
    thrd_create(&t1, worker, NULL);
    thrd_create(&t2, worker, NULL);
    thrd_join(t1, NULL);
    thrd_join(t2, NULL);

    printf("Counter: %d\n", atomic_load(&counter));  // 200000
    return 0;
}

_Atomic 类型限定符使对该对象的操作成为原子的。atomic_fetch_add 函数原子性地递增计数器。不需要互斥量。

C 深入： 原子操作使用 CPU 级别原语实现：

• x86：LOCK 前缀指令（例如 LOCK XADD）
• ARM：LDXR/STXR 独占加载/存储对
• 某些架构使用全局比较并交换循环

_Atomic 类型可能具有与非原子对应物不同的大小或对齐方式。_Atomic(int) 在主流平台上总是无锁的，但 _Atomic(struct large) 可能使用内部锁。

常见原子操作：

操作	函数	描述
加载	atomic_load(&x)	原子读取
存储	atomic_store(&x, val)	原子写入
获取并加	atomic_fetch_add(&x, 1)	加并返回旧值
获取并减	atomic_fetch_sub(&x, 1)	减并返回旧值
比较并交换	atomic_compare_exchange_strong	CAS 操作
交换	atomic_exchange(&x, val)	原子交换
标志测试并设置	atomic_flag_test_and_set	简单自旋锁原语