C++ 对 int 的读写是原子的吗？

Posted 2023-02-16

【中文标题】C++ 对 int 的读写是原子的吗？

【英文标题】：Are C++ Reads and Writes of an int Atomic?

【发布时间】：2010-09-08 10:12:47

【问题描述】：

我有两个线程，一个更新一个 int，一个读取它。这是一个与读写顺序无关的统计值。

我的问题是，我是否需要同步访问这个多字节值？或者，换一种说法，可以部分写入完成并被中断，然后再进行读取。

例如，考虑一个值 = 0x0000FFFF，它的增量值为 0x00010000。

是否存在我应该担心的值看起来像 0x0001FFFF 的时间？当然，类型越大，发生这种情况的可能性就越大。

我一直同步这些类型的访问，但很好奇社区的想法。

【问题讨论】：

真的吗？我不在乎社区怎么想。我会关心事实是什么:)

关于该主题的有趣阅读：channel9.msdn.com/Shows/Going+Deep/…

专为=：***.com/questions/8290768/…

【参考方案1】：

不，它们不是（或者至少你不能假设它们是）。话虽如此，有一些技巧可以原子地执行此操作，但它们通常不可移植（请参阅Compare-and-swap）。

【参考方案2】：

是的，您需要同步访问。在 C++0x 中，这将是一场数据竞争和未定义的行为。对于 POSIX 线程，它已经是未定义的行为。

在实践中，如果数据类型大于本机字长，您可能会得到错误的值。此外，由于移动读取和/或写入的优化，另一个线程可能永远不会看到写入的值。

【参考方案3】：

您必须同步，但在某些架构上，有一些有效的方法可以做到这一点。

最好使用子例程（可能隐藏在宏后面），以便您可以有条件地用特定于平台的实现替换实现。

Linux 内核已经有一些这样的代码。

【参考方案4】：

如果您正在读取/写入 4 字节值并且它在内存中是 DWORD 对齐的并且您在 I32 架构上运行，那么读取和写入是原子的。

【讨论】：

英特尔架构软件开发人员手册中的什么地方对此进行了说明？

@DanielTrebbien：也许见***.com/questions/5002046/…

这在 C++ 级别是不正确的。底层机器指令是原子的，但允许编译器以破坏原子性的方式进行优化。

【参考方案5】：

男孩，这是什么问题。答案是：

是的，不，嗯，好吧，这取决于

这一切都归结为系统的架构。在 IA32 上，正确对齐的地址将是原子操作。未对齐的写入可能是原子的，它取决于使用的缓存系统。如果内存位于单个 L1 缓存行中，则它是原子的，否则不是。 CPU 和 RAM 之间的总线宽度会影响原子性：8086 上正确对齐的 16 位写入是原子性的，而 8088 上的相同写入不是因为 8088 只有 8 位总线，而 8086 有16 位总线。

此外，如果您使用的是 C/C++，请不要忘记将共享值标记为 volatile，否则优化器会认为该变量永远不会在您的某个线程中更新。

【讨论】：

volatile关键字在多线程程序中没用***.com/questions/2484980/…

@IngeHenriksen：我不相信那个链接。

另一个来源，但不幸的是非常古老（它早于 std::atomic）：web.archive.org/web/20190219170904/https://software.intel.com/…

这个答案已经过时了。从 C++11 开始，对不是 std::atomic<int> 的 int 的非同步访问是数据竞争，并且是未定义的行为。所以目前的正确答案是平no。

@NateEldredge：这并不完全正确，未定义并不意味着“完全不”。正如我在回答中所说，“这取决于”。未定义只是意味着没有保证操作是原子的，有时是，有时不是。如果您对原子性质做出假设，则代码将无法移植，但如果您针对固定的硬件和软件配置并适当地注释代码，那么该假设可能对您有用。但是，就像我说的，它不会真正便携。

【参考方案6】：

我同意很多人的观点，尤其是Jason。在 Windows 上，可能会使用 InterlockedAdd 及其朋友。

【参考方案7】：

起初可能会认为本机机器大小的读取和写入是原子的，但有许多问题需要处理，包括处理器/内核之间的缓存一致性。在 Windows 上使用 Interlocked* 等原子操作，在 Linux 上使用等效操作。 C++0x 将有一个“原子”模板来将它们包装在一个漂亮的跨平台界面中。目前，如果您使用平台抽象层，它可能会提供这些功能。 ACE 确实如此，请参阅类模板 ACE_Atomic_Op。

【讨论】：

ACE_Atomic_Op 的文档已经移动 - 现在可以在dre.vanderbilt.edu/~schmidt/DOC_ROOT/ACE/ace/Atomic_Op.inl找到它

【参考方案8】：

呼应楼上大家所说的，C++0x 之前的语言不能保证任何关于多线程共享内存访问的事情。任何保证都取决于编译器。

【参考方案9】：

除了上面提到的缓存问题...

如果您将代码移植到具有较小寄存器大小的处理器，它将不再是原子的。

IMO，线程问题太棘手，不能冒险。

【参考方案10】：

在 Windows 上，Interlocked***Exchange***Add 保证是原子的。

【参考方案11】：

唯一可移植的方法是为您的编译器使用在 signal.h 头文件中定义的 sig_atomic_t 类型。在大多数 C 和 C++ 实现中，这是一个 int。然后将您的变量声明为“volatile sig_atomic_t”。

【讨论】：

volatile 不会像你认为的那样做***.com/questions/2484980/…

sig_atomic_t 对于信号而言是原子的，但对于线程而言不是。从 C++11 开始，从多个线程访问这样的对象是数据竞争和 UB。

【参考方案12】：

举个例子

int x;
x++;
x=x+5;

假设第一条语句是原子的，因为它转换为一个占用单个 CPU 周期的 INC 汇编指令。但是，第二个赋值需要几个操作，所以它显然不是原子操作。

另一个例子，

x=5;

同样，您必须反汇编代码才能看到这里到底发生了什么。

【讨论】：

但是编译器可以优化成x+=6。

【参考方案13】：

tc, 我认为当您使用常量（如 6）时，指令不会在一个机器周期内完成。 试试看x+=6的指令集与x++的对比

【参考方案14】：

有些人认为 ++c 是原子的，但要注意生成的程序集。例如使用 'gcc -S' ：

movl    cpt.1586(%rip), %eax
addl    $1, %eax
movl    %eax, cpt.1586(%rip)

要增加一个 int，编译器首先将它加载到一个寄存器中，然后将它存储回内存中。这不是原子的。

【讨论】：

如果只有一个线程正在写入变量，这不是问题，因为没有撕裂。

【参考方案15】：

绝对不！ 来自我们最高 C++ 权威 M. Boost 的回答：Operations on "ordinary" variables are not guaranteed to be atomic.

【讨论】：

该链接仅表示 arithmetic 操作，它由对“普通”变量的读-更新-写序列组成，不是原子的，无论是 read 还是 write 对“普通”变量的操作是否是原子的。

【参考方案16】：

读取和写入是原子的，但您还需要担心编译器会重新排序您的代码。编译器优化可能会违反代码中语句的先发生关系。通过使用 atomic，您不必担心这一点。 ... 原子 i;

soap_status = GOT_RESPONSE ; i = 1

在上面的例子中，变量'i'只有在我们得到一个soap响应后才会被设置为1。

【讨论】：

这不是真的。 int 的读写在标准 C++ 中不能保证是原子的，由此产生的数据竞争会导致未定义的行为。