atomic：std::atomic::fetch_or

引入

在 C++11 引入的标准库中，<atomic> 头文件为并发编程提供了原子操作的支持，其中 std::atomic<T>::fetch_or 是用于执行按位或操作的关键函数。这些原子操作有助于在多线程环境中保证数据的一致性和安全性，避免使用锁造成的性能损失。了解 fetch_or 的功能及其应用对于开发高效的并发代码至关重要。

1. 特性与函数介绍

1.1 特性

• 原子性：fetch_or 确保操作的原子性，使得多个线程可以同时对同一原子对象进行按位或操作，而不会发生数据竞争。
• 返回旧值：执行按位或操作的同时返回在操作之前原子对象的旧值，这对于许多状态管理场景非常有用。
• 内存序控制：支持多种内存序参数，允许开发者选择最适合特定应用场景的内存模型。

1.2 函数语法

#include <atomic>

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

• 参数：

  • arg：与原子对象进行按位或操作的值。
  • order：内存序参数，默认为 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_or 在多线程环境中进行原子按位或操作。

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

std::atomic<int> atomicFlag(0); // 初始化为0

void threadFunction(int threadID) {
    int mask = 1 << threadID; // 每个线程使用不同的按位或掩码
    int oldValue = atomicFlag.fetch_or(mask); // 执行原子按位或操作
    std::cout << "Thread " << threadID << " applied mask " << mask 
              << ": Old value was " << oldValue << ", New value is " 
              << 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或操作
    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：

   • 开头包含 <atomic>、<thread> 和 <vector> 以支持原子操作、线程管理和容器管理。

2. 定义原子变量：

   • 创建一个 std::atomic<int> atomicFlag(0)，初始值设为0，用于存储不同线程对状态标志的组合结果。

3. 定义线程函数：

   • 在 threadFunction 中，使用 1 << threadID 创建一个掩码，每个线程使用不同的位来对 atomicFlag 进行按位或操作。执行 atomicFlag.fetch_or(mask)，并输出操作前的值和变更后的值。

4. 主函数中的线程管理：

   • 在 main 函数中，创建并启动多个线程用于调用 threadFunction。

5. 结果输出：

   • 等待所有线程完成后，输出最终的 atomicFlag 值，通过 atomicFlag.load() 获取能够看出每个线程应用的掩码的效果。

4. 适用场景分析

4.1 状态管理

fetch_or 适用于需要设置或合并标志位的场景，在多个线程需要更新状态标志，然而要确保每个标志位都只操作一次的情况。

4.2 先发制人的控制

在多线程场景中，能够安全地更新共享状态称为先发制人的方式，fetch_or 提供了一种高效的方法来捕获这些状态变化。

4.3 优化无锁数据结构

在构建无锁并发数据结构时，可以使用 fetch_or 来维护内部状态，从而减少传统锁引起的开销，提升并发性能。

5. 总结

std::atomic<T>::fetch_or 是 C++ 中一个重要的原子操作工具，为并发编程提供了安全且高效的按位或操作支持。通过确保操作的原子性，开发者能够在多线程环境中有效管理数据更新，减少使用终端状态锁带来的性能开销。掌握这一特性，对于开发高效且可扩展的多线程应用至关重要，能够帮助开发者在复杂的并发环境中维护数据一致性，减少出现数据竞争的风险。充分利用 fetch_or 的能力可以加速现代应用程序的执行效率，使其能够在多核处理器上高效运行。