C++并发学习笔记

Posted 2022-12-06 帝王铠

基础的定义略过，这里只记录一些细节。

std::async

自动创建一个线程(或从内部线程池中挑选)和一个promise对象。

• 然后将std::promise对象传递给线程函数，并返回相关的std::future对象
• 当我们传递参数的函数退出时，它的值将被设置在这个promise对象中，所以最终的返回值将在std::future对象中可用

std::async中的第一个参数是启动策略，它控制std::async的异步行为，我们可以用三种不同的启动策略来创建

• std::async·std::launch::async保证异步行为，即传递函数将在单独的线程中执行
• std::launch::deferred当其他线程调用get()来访问共享状态时，将调用非异步行为
• std::launch::async | std::launch::deferred默认行为。有了这个启动策略，它可以异步运行或不运行，这取决于系统的负载，但我们无法控制它。

std::async 会抓走所有异常，保存在 std::future 中，然后在调用 std::future::get 方法时被再次抛出。看起来不错的特性，然而因为 C++ 的异常不携带栈信息，这种操作直接导致现场信息永久性的丢失。

std::future

future_status有三种状态：

• future_status::deferred 2：异步操作还没开始
• future_status::ready 0：异步操作已经完成
• future_status::timeout 1：异步操作超时、

获取future结果有三种方式：

• get、同步阻塞调用，等待异步操作结束并返回结果
• wait、同步阻塞调用，只是等待异步操作完成，没有返回值
• wait_for、是超时等待返回结果

std::promise

std::promise 的拷贝构造函数和 operator= 被禁用，即 std::promise 普通的赋值操作被禁用，operator= 只有 move 语义，所以 std::promise 对象是禁止拷贝的

std::promise::get_future：返回一个与promise共享状态相关联的future对象
std::promise::set_value：设置共享状态的值，此后promise共享状态标识变为ready
std::promise::set_exception：为promise设置异常，此后promise的共享状态标识变为ready
std::promise::set_value_at_thread_exit：设置共享状态的值，但是不将共享状态的标志设置为 ready，当线程退出时该 promise 对象会自动设置为 ready（注意：该线程已设置promise的值，如果在线程结束之后有其他修改共享状态值的操作，会抛出future_error(promise_already_satisfied)异常）
std::promise::swap：交换 promise 的共享状态

std::packaged_task

promise保存了一个共享状态的值，而packaged_task保存的是一个函数

memory barrier 内存屏障

__sync_synchronize (…)

因为目前gcc实现的是full barrier(类似Linux kernel中的mb()，表示这个操作之前的所有内存操作不会被重排到这个操作之后)，所以可以忽略掉这个参数。下面是有关memory barrier的东西。

    关于memory barrier, cpu会对我们的指令进行排序，一般说来会提高程序的效率，但有时候可能造成我们不希望看到的结果。举例说明，比如我们有一硬件设备，当你发出一个操作指令的时候，一个寄存器存的是你的操作指令(READ)，两个寄存器存的是参数（比如地址和size），最后一个寄存器是控制寄存器，在所有的参数都设置好后向其发出指令，设备开始读取参数，执行命令，程序可能如下：

         write1(dev.register_size, size);

         write1(dev.register_addr, addr);

         write1(dev.register_cmd, READ);

         write1(dev.register_control, GO);

   如果CPU对我们的指令进行优化排序，导致最后一条write1被换到前几条语句之前，那么肯定不是我们所期望的，这时候我们可以在最后一条语句之前加入一个memory barrier，强制CPU执行完前面的写入后再执行最后一条：

         write1(dev.register_size, size);

         write1(dev.register_addr, addr);

         write1(dev.register_cmd, READ);

         __sync_synchronize();            发出一个full barrier

         write1(dev.register_control, GO);

memory barrier有几种类型：

  acquire barrier：不允许将barrier之后的内存读取指令移到barrier之前；（linux kernel中的wmb）

  release barrier：不允许将barrier之前的内存读取指令移到barrier之后；（linux kernel中的rmb）

  full barrier：以上两种barrier的合集；（linux kernel中的mb）

gcc原子操作

从4.1.2开始提供了__sync_*系列的build-in函数，用于提供加减和逻辑运算的原子操作，其声明如下：

type __sync_fetch_and_add (type *ptr, type value, ...)

type __sync_fetch_and_sub (type *ptr, type value, ...)

type __sync_fetch_and_or (type *ptr, type value, ...)

type __sync_fetch_and_and (type *ptr, type value, ...)

type __sync_fetch_and_xor (type *ptr, type value, ...)

type __sync_fetch_and_nand (type *ptr, type value, ...)



type __sync_add_and_fetch (type *ptr, type value, ...)

type __sync_sub_and_fetch (type *ptr, type value, ...)

type __sync_or_and_fetch (type *ptr, type value, ...)

type __sync_and_and_fetch (type *ptr, type value, ...)

type __sync_xor_and_fetch (type *ptr, type value, ...)

type __sync_nand_and_fetch (type *ptr, type value, ...)

__sync_fetch_and_add反汇编出来的指令(实际上，这部分我还不是很懂，都是从其他博客上摘录的)

804889d:f0 83 05 50 a0 04 08 lock addl $0x1,0x804a050

可以看到，addl前面有一个lock，这行汇编指令前面是f0开头，f0叫做指令前缀，Richard Blum。lock前缀的意思是对内存区域的排他性访问。

其实，lock是锁FSB，前端串行总线，Front Serial Bus，这个FSB是处理器和RAM之间的总线，锁住FSB，就能阻止其他处理器或者Core从RAM获取数据。当然这种操作开销相当大，只能操作小的内存可以这样做，想想我们有memcpy，如果操作一大片内存，锁内存，那么代价太大了。所以前面介绍__sync_fetch_and_add等函数，type只能是int, long, long long以及对应的unsigned类型。

windows原子操作

原子加1操作：
LONG InterlockedIncrement( LONG volatile* Addend);
原子减1操作:
LONG InterlockedDecrement( LONG volatile* Addend);
带有全局的内存屏障比较交换：
InterlockedCompareExchange()
不带全局内存栅障的比较交换：
InterlockedCompareExchangeAcquire()或者InterlockedCompareExchangeRelease()
原子写操作：
InterlockedExchange()

C++11标准原子操作

std::atomic<>

load()
store()
compare_exchange_weak()
compare_exchange_strong()
fetch_add()
fetch_sub()
fetch_or()
fetch_xor()
内存屏障
std::atomic_thread_frence(std::memory_order_release);
六种内存顺序如下：
memory_order_relaxed  松散顺序
memory_order_seq_cst  顺序一致 sequentially consistent
memory_order_consume  获得释放 acquire_release
memory_order_acquire
memory_order_release
memory_order_acq_rel