C++ アトミック ライブラリの使用法と制限事項

C++ アトミック ライブラリは、データのアトミック性を確保するためにスレッドセーフなデータ型を提供します。アトミック変数は中断不可能であり、加算、減算、交換などの幅広いアトミック操作を提供します。一般的なタイプには、std::atomic<T> と std::atomic_flag があります。アトミック ライブラリは、スレッドセーフなカウンターの作成など、実際のアプリケーションで非常に役立ちます。アトミック操作は非アトミック操作よりも遅くなる可能性があり、クラス メンバーでは機能しないことに注意してください。

C++ アトミック ライブラリ: 使用法と制限事項

はじめに

アトミック ライブラリは、データのアトミック性を確保するために同時環境で使用できるスレッドセーフなデータ型を提供します。 C++ では、<atomic> ヘッダー ファイルはアトミック ライブラリを定義します。 <atomic> 头文件定义了原子库。

常见数据类型

原子库提供了以下数据类型：

• std::atomic<T>：模板类，其中 T 应为任意类型。
• std::atomic_flag：无锁标志型变量。
• std::atomic_bool：无锁布尔型变量。
• std::atomic_int：无锁整数型变量。
• std::atomic_uint：无锁无符号整数型变量。
• std::atomic_long：无锁长整型变量。
• std::atomic_ulong：无锁无符号长整型变量。

线程安全性

原子变量是线程安全的，这意味着即使多个线程同时访问变量，也可以保证数据的一致性。原子操作被认为是不可中断的，这意味着一次原子操作不会被其他线程打断。

原子操作

原子库提供了以下原子操作：

• fetch_add：原子地将一个值加到变量中。
• fetch_sub：原子地从变量中减去一个值。
• fetch_and：原子地将一个位掩码与变量执行按位与操作。
• fetch_or：原子地将一个位掩码与变量执行按位或操作。
• fetch_xor：原子地将一个位掩码与变量执行按位异或操作。
• load：原子地从变量中加载值。
• store：原子地将值存储到变量中。
• exchange：原子地将变量的值与另一个值交换。
• compare_exchange_strong：原子地检查变量的值是否等于预期值，如果是，则将其与新值交换。
• compare_exchange_weak：类似于 compare_exchange_strong，但仅当变量的值未被另一个线程修改时才交换值。

实战案例：线程安全计数器

考虑以下线程安全计数器示例：

#include <atomic>
#include <thread>

std::atomic<int> counter;

void increment_counter() {
    for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
        counter++;
    }
}

int main() {
    std::thread t1(increment_counter);
    std::thread t2(increment_counter);

    t1.join();
    t2.join();

    std::cout << "Final counter value: " << counter << std::endl;
    return 0;
}

在该示例中，counter 被声明为原子整数，并使用 fetch_add 操作原子地递增。两个线程并发递增计数器，最后打印最终值。

限制

虽然原子库非常有用，但它们有一些限制：

• 开销：原子操作比非原子操作速度慢。
• 死锁：如果两个线程都尝试使用 compare_exchange
• 一般的なデータ型
アトミック ライブラリは次のデータ型を提供します:

std::atomic<T>: テンプレート クラス、Tどのタイプでもそうすべきです。 std::atomic_flag: ロックフリー フラグ変数。

std::atomic_bool: ロックフリーのブール変数。

🎜std::atomic_int: ロックフリーの整数変数。 🎜🎜std::atomic_uint: ロックフリーの符号なし整変数。 🎜🎜std::atomic_long: ロックフリーの長整数変数。 🎜🎜std::atomic_ulong: ロックフリーの符号なし長整数変数。 🎜🎜🎜🎜スレッド セーフティ🎜🎜🎜アトミック変数はスレッド セーフです。つまり、複数のスレッドが同時に変数にアクセスした場合でも、データの一貫性が保証されます。アトミック操作は中断不可能とみなされます。これは、アトミック操作を他のスレッドが中断できないことを意味します。 🎜🎜🎜アトミック操作🎜🎜🎜 アトミック ライブラリは、次のアトミック操作を提供します: 🎜
🎜fetch_add: 値を変数にアトミックに追加します。 🎜🎜fetch_sub: 変数から値をアトミックに減算します。 🎜🎜fetch_and: ビットマスクと変数に対してビットごとの AND 演算をアトミックに実行します。 🎜🎜fetch_or: ビットマスクと変数に対してビットごとの OR 演算をアトミックに実行します。 🎜🎜fetch_xor: ビットマスクと変数に対してビット単位の XOR 演算をアトミックに実行します。 🎜🎜load: 変数から値をアトミックにロードします。 🎜🎜store: 値を変数にアトミックに保存します。 🎜🎜exchange: 変数の値を別の値とアトミックに交換します。 🎜🎜compare_exchange_strong: 変数の値が期待値と等しいかどうかをアトミックにチェックし、等しい場合は新しい値と交換します。 🎜🎜compare_exchange_weak: compare_exchange_strong と似ていますが、変数の値が別のスレッドによって変更されていない場合にのみ値を交換します。 🎜🎜🎜🎜実践的な例: スレッドセーフなカウンター🎜🎜🎜次のスレッドセーフなカウンターの例を考えてみましょう: 🎜rrreee🎜 この例では、counter はアトミックな整数として宣言され、fetch_add を使用します。 code> 操作はアトミックにインクリメントされます。両方のスレッドが同時にカウンターをインクリメントし、最終的に最終値を出力します。 🎜🎜🎜制限事項🎜🎜🎜アトミック ライブラリは非常に便利ですが、いくつかの制限があります: 🎜<ul>🎜🎜オーバーヘッド🎜: アトミック操作は非アトミック操作よりも遅くなります。 🎜🎜🎜デッドロック🎜: 2 つのスレッドが <code>compare_exchange を使用して同じ変数を同時に変更しようとすると、デッドロックが発生する可能性があります。 🎜🎜🎜クラス メンバーには適用されません🎜: アトミック操作は中断不可能である必要があるため、アトミック ライブラリはクラス メンバーには適用できません。 🎜🎜🎜🎜結論🎜🎜🎜 アトミック ライブラリは、同時実行環境で非常に役立つスレッドセーフなデータ型を提供します。コード内でそれらを正しく使用するには、その操作と制限を理解することが重要です。 🎜

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