使用 <stdatomic.h> 在 C11 GCC 中使数据 reads/writes 原子化？

Question

我从 SO 线程 here and here 等中了解到，假设多线程应用程序中的 reads/writes 数据在 OS/hardware 级别是原子的是不安全的，并且可能会导致数据损坏。我想知道在 Linux.

上使用带有 GCC 编译器的 <stdatomic.h> C11 库使 int 变量成为原子读写的最简单方法

如果我当前在一个线程中有一个 int 赋值：messageBox[i] = 2，我如何使这个赋值原子化？同样适用于阅读测试，例如 if (messageBox[i] == 2).

Answer 1

对于 C11 原子，您甚至不必使用函数。如果您的实现（= 编译器）支持原子，您只需将原子说明符添加到变量声明，然后所有操作都是原子的：

_Atomic(int) toto = 65;
...
toto += 2;  // is an atomic read-modify-write operation
...
if (toto == 67) // is an atomic read of toto

Atomics 有其价格（它们需要更多的计算资源），但只要您很少使用它们，它们就是同步线程的完美工具。

Answer 2

that it is not safe to assume that reads/writes of data in multithreaded applications are atomic at the OS/hardware level, and corruption of data may result

实际上 非复合 类型上的操作 int 在所有合理的体系结构上都是原子的。你看到的只是一个骗局。

(一个增量是一个复合操作：它有一个读取、一个计算和一个写入组件。每个组件都是原子的，但整个复合操作是而不是。)

但是硬件级别的原子性不是问题。您使用的高级语言根本不支持对常规类型的那种操作。您需要使用原子类型甚至有权以原子性问题相关的方式操作对象：当您可能修改另一个线程中正在使用的对象时。

（或 volatile 类型。但不要使用 volatile。使用 atomics。）

Answer 3

If I currently have an int assignment in a thread: messageBox[i] = 2, how do I make this assignment atomic? Equally for a reading test, like if (messageBox[i] == 2).

您几乎不需要做任何事情。在几乎所有情况下，您的线程共享（或与之通信）的数据都受到保护，无法通过互斥锁、信号量等方式进行并发访问。基本操作的实现保证了内存的同步。

这些原子的原因是为了帮助您在代码中构建更安全的竞争条件。它们有很多危险；其中：

ai += 7;

如果 ai 被适当定义，将使用原子协议。试图破译竞争条件并不能通过模糊实现来帮助。

他们也有高度依赖机器的部分。例如，上面的行在某些平台上可能会 fail [1]，但是如何将失败反馈给程序？它不是 [2].

只有一个操作有处理失败的选项； atomic_compare_exchange_（弱|强）。 Weak 只尝试一次，让程序选择如何以及是否重试。强无休止地重试。仅仅尝试一次是不够的——由于中断可能会发生虚假失败——但是对非虚假失败的无休止重试也不好。

可以说，对于健壮的程序或广泛适用的库，您唯一应该使用的是 atomic_compare_exchange_weak()。

[1] 加载链接、条件存储 (ll-sc) 是在异步总线架构上进行原子事务的常用方法。 load-linked 在缓存行上设置了一个小标志，如果任何其他总线代理试图修改该缓存行，该标志将被清除。 Store-conditional 在缓存中设置小标志时存储一个值，并清除该标志；如果标志被清除，Store-conditional 会发出错误信号，因此可以尝试适当的重试操作。从这两个操作中，您可以在完全异步的总线架构上构造您喜欢的任何 atomic 操作。

ll-sc 可能对位置的缓存属性有微妙的依赖性。允许的缓存属性取决于平台，因为可以在 ll 和 sc 之间执行哪些操作。

如果您对缓存不佳的访问进行 ll-sc 操作，并盲目重试，您的程序将会锁定。这不仅仅是猜测；我不得不在基于 ARMv7 的 "safe" 系统上调试其中一个。

[2]:

#include <stdatomic.h>
int f(atomic_int *x) {
    return (*x)++;
}
f:
        dmb     ish
.L2:
        ldrex   r3, [r0]
        adds    r2, r3, #1
        strex   r1, r2, [r0]
        cmp     r1, #0
        bne     .L2       /* note the retry loop */
        dmb     ish
        mov     r0, r3
        bx      lr

使用 <stdatomic.h> 在 C11 GCC 中使数据 reads/writes 原子化？

Making data reads/writes atomic in C11 GCC using <stdatomic.h>?

c

multithreading

atomic

c11