什么时候应该使用原子操作？

Question

我从来没有使用过原子操作，而且对如何使用原子操作基本上一无所知。然而，在查看Qt的后端：https://doc.qt.io/qt-6/qatomicinteger.html时，我经常会遇到这样的对象

这使我怀疑这里是否有一个我没有适当利用的特性。

因此我的问题是，

• 什么时候应该使用原子操作？
• 这是为了提高性能吗？
• 除了表现之外，还有其他考虑吗？
• 什么时候才能看到某些人的代码，并对他们进行指责，因为他们没有使用原子操作？

回首过去，我想知道是否有一些地方我应该使用它们，但只是用一个互斥。

Answer 1

原子操作对于编写具有共享可变状态的安全并发/多线程代码非常有用，而不必求助于(昂贵的)锁或互斥。对于诸如整数或指针之类的小数据类型，atomics允许我们替换类似于

{
  QMutexLocker locker(&mutex);
  x += 1;
}

像原子一样

atomicX.fetchAndAddAcquire(1);

或者使用C++标准库，我们可以替换

{ std::lock_guard<std::mutex> guard(mutex); x += 1; }

使用

atomicX.fetch_add(1, std::memory_order_acq_rel)。

这具有潜在的性能优势，因为CPU为原子操作提供了专门的指令。此外，还有不同的“内存顺序”，对于哪个值对不同的CPU内核可见，有不同的保证。Atomics允许我们在这里选择适当程度的控制，与使用更严格的排序或互斥/锁相比，更宽松的命令可能带来更好的性能。内存顺序是在C++标准中定义的，例如，参见cppreference.com综述。

特别是在x86体系结构上，您可能不会看到普通易失性变量与使用轻松或获取/发布命令的atomics之间的区别。CPU架构已经为所有内存访问提供了强有力的保证。然而，准确地使用内存顺序在ARM体系结构上是非常重要的。使用过于宽松的内存顺序(或者根本不使用atomics )可能会损坏数据。

对你的问题的具体回答：

• 什么时候应该使用原子操作？当以下所有内容都有效时：
  • 您有多个线程共享可变状态。
  • 对此状态的修改只影响单个单词(整数、指针、…)。
  • 你想要避免锁/互斥

反指示：

- the data is only used by a single thread → use ordinary variables
- the shared data remains constant → use ordinary variables
- changes to the shared data affect more than one word at a time → use locks/mutexes
- you do not want to learn about memory orderings → use atomics with sequentially consistent ordering or locks/mutexes

• 这是为了提高性能吗？主要目的是提高正确性。但是不同的内存顺序允许我们选择最轻松的(因此也是最快的)内存顺序来满足我们的需求。当然，我们总是可以强制执行顺序一致的顺序(memory_order_seq_cst)，但这通常是最慢的，并且会涉及CPU级别的锁。
• 除了表现之外，还有其他考虑吗？正确。
• 什么时候才能看到某些人的代码，并对他们进行指责，因为他们没有使用原子操作？不用谢。
  • 责难人们通常不是很有教益--这会引起怨恨。
  • 如果有人在线程之间共享可变状态，而不通过互斥、锁或atomics保护访问，则存在潜在的争用条件。提出这个问题可能是有意义的。
  • 如果有人使用互斥或锁来保护单字数据更改，切换到atomics可能会导致简化和性能改进。

Answer 2

如果你问这个问题，那你就不应该问了。你应该检查你是否有多线程代码，多个线程可以读取或写入相同的变量(至少有一个作者)，然后阅读你的语言规则，可能是处理器的规则，在这种情况下，这是否会给你带来问题(可能会导致你很难找到问题)，而它们可以通过使用互斥、原子访问、串行队列，或者通过向知道如何解决这些问题的人寻求帮助来解决这些问题。

但是原则是:如果使用变量的所有线程总是使用原子操作，而一些线程使用原子操作修改变量，那么任何其他线程都会看到修改尚未开始，或者已经完成。它从来没有看到变量之间的状态。