atomic：std::atomic::fetch_and

引入

在 C++11 及其后续版本中，引入了原子操作功能，通过 <atomic> 头文件，C++ 标准库支持线程安全的原子变量。std::atomic<T>::fetch_and 函数是用来执行按位与操作的原子操作。它允许多线程环境中，多个线程对同一个原子对象进行安全的按位与操作，避免了在没有锁的情况下可能出现的数据竞争。该函数在实现并发算法和多线程通信方面扮演了重要角色。

1. 特性与函数介绍

1.1 特性

• 原子性：fetch_and 作为一个原子操作，保证在并发环境下操作的安全性，避免数据竞争的问题。
• 返回旧值：在执行按位与操作之前，fetch_and 函数会返回操作之前的值，便于后续确认数据状态。
• 可选的内存序：支持设置内存序参数，使得开发者能够精确控制多线程访问时的内存可见性和顺序。

1.2 函数语法

std::atomic<T>::fetch_and 的基本用法如下：

#include <atomic>

namespace std {
    template<typename T>
    class atomic {
    public:
        T fetch_and(T arg, std::memory_order order = std::memory_order_seq_cst) noexcept;
    };
}

• 参数：

  • arg：将与原子对象进行按位与操作的值。
  • order：内存序，可选，默认值为 memory_order_seq_cst，表示顺序一致性。

• 返回值：返回执行前原子对象的当前值。

2. 完整示例代码

以下示例展示了如何使用 std::atomic<T>::fetch_and 在多个线程间进行原子按位与操作。

#include <iostream>
#include <atomic>
#include <thread>
#include <vector>

std::atomic<int> atomicFlag(0b1111); // 初始化 4 位二进制数 1111，即十进制的 15

void threadFunction(int threadID) {
    int mask = threadID + 1; // 每个线程使用不同的按位与掩码
    int oldValue = atomicFlag.fetch_and(mask); // 执行原子按位与操作
    std::cout << "Thread " << threadID << " applied mask " << mask << ": " 
              << "Old value: " << oldValue << ", New value: " 
              << atomicFlag.load() << std::endl;
}

int main() {
    const int numThreads = 4;
    std::vector<std::thread> threads;

    // 创建多个线程以对原子值执行按位与操作
    for (int i = 0; i < numThreads; ++i) {
        threads.emplace_back(threadFunction, i);
    }

    // 等待所有线程完成
    for (auto& t : threads) {
        t.join();
    }

    std::cout << "Final atomicFlag value: " << atomicFlag.load() << std::endl;
    return 0;
}

3. 代码解析

1. 引入头文件：

   • 开始时包含 <atomic> 和 <thread>，以支持原子操作和线程功能，使用 <vector> 以方便管理多个线程。

2. 定义原子变量：

   • 使用 std::atomic<int> atomicFlag(0b1111) 创建一个原子变量，初始化为二进制数 1111，实际值为十进制的 15。

3. 定义线程函数：

   • threadFunction 中，每个线程使用其 ID 作为掩码执行按位与操作。atomicFlag.fetch_and(mask) 执行原子并返回操作之前的值。

4. 主函数的线程管理：

   • 在 main 函数中，创建多个线程，通过 threads.emplace_back(threadFunction, i) 将线程函数传递给每个线程。

5. 结果输出：

   • 等待所有线程完成后，利用 atomicFlag.load() 打印最终的原子标志值，以了解各线程应用掩码后的结果。

4. 适用场景分析

4.1 状态标志管理

fetch_and 适用于需要更新状态标志的并发场景，例如在多线程程序中，多个线程可能需要对某个状态标志进行状态合成。

4.2 对象的访问控制

在资源访问控制中，原子位可以在多线程访问同一对象时使用 fetch_and，来定义其可访问性与状态。

4.3 无锁数据结构

在构建无锁并发数据结构时，能够有效使用 fetch_and 来维护其状态，有助于提升并发性能和减少不必要的传统锁开销。

5. 总结

std::atomic<T>::fetch_and 是 C++ 提供的强大原子操作工具，对于多线程并发编程支持安全且高效的按位与操作。它不仅能确保操作的原子性和一致性，还能允许开发者直接访问操作前的值，从而增强数据处理的灵活性。通过熟练掌握这一特性，开发者能够设计出高效、安全的并发应用，提高应用的性能及响应能力。在现代高并发程序的开发中，充分利用 fetch_and 能够大幅简化代码逻辑，并优化执行效率，助力构建高效的多线程环境。