C++ std::atomic和std::mutex
创始人
2024-11-15 16:40:44
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C++11 引入了两个重要的同步机制用于多线程编程:std::atomicstd::mutex。它们各自适用于不同的并发控制需求,并在实现和使用上有很大的不同。

1. 目的和用途

  • std::atomic:

    • 设计目的:为原子操作提供支持,保证对变量的操作(如加载、存储、增加、减少等)是原子的,无需锁。
    • 用途:适用于需要对单个变量进行并发访问并保持高性能的场景,如计数器、标志位等。
  • std::mutex:

    • 设计目的:提供互斥锁,用于保护共享资源,确保同一时刻只有一个线程可以访问某个资源。
    • 用途:适用于复杂的临界区保护,需要确保某个代码段在任何时刻只能被一个线程执行,如保护复杂数据结构、文件操作等。

2. 性能和开销

  • std::atomic:

    • 性能:通常比std::mutex更快,因为它利用了硬件提供的原子操作指令,操作开销相对较低。
    • 开销:几乎没有上下文切换和内核态开销,所有操作都是在用户态完成的。
    • 无锁特性:避免了锁竞争和线程阻塞,可以减少上下文切换的开销。
  • std::mutex:

    • 性能:相对较慢,因为涉及上下文切换和内核态的开销。
    • 开销:需要等待操作,存在线程阻塞的可能性,当线程数较多时容易产生竞争和死锁风险。
    • 锁竞争:多个线程竞争同一个锁时会导致性能下降。

3. 易用性和代码复杂度

  • std::atomic:

    • 易用性:相对简单,只需对变量进行原子操作。
    • 代码复杂度:适用于简单的变量操作,不适用于复杂的临界区保护。
  • std::mutex:

    • 易用性:相对复杂,需要显式地锁定和解锁。
    • 代码复杂度:适用于复杂的临界区保护,需要更仔细地管理锁的生命周期和作用范围,而且要小心避免死锁。

4.使用示例

++操作并不是一个原子操作,该操作分为三步:

  • load:将共享变量n从内存加载到寄存器中。
  • update:更新寄存器里面的值,执行+1操作。
  • store:将新值从寄存器写回共享变量n的内存地址。

多个线程在同一个进程内工作,共享进程的资源,线程本身只拥有线程id、寄存器、线程栈。

因此可能当线程1刚将n的值加载到寄存器中就被切走了,也就是只完成了++操作的第一步,而线程2可能顺利完成了一次完整的++操作才被切走,而这时线程1继续用之前加载到寄存器中的值完成剩余的两步操作,最终就会导致两个线程分别对共享变量n进行了一次++操作,但最终n的值却只被++了一次。

因此需要加锁或者原子类:

#include  #include  #include   std::atomic atomic_count(0); std::mutex mtx; int count = 0;  void atomic_increment() {     for (int i = 0; i < 1000; ++i) {         atomic_count++;     } }  void mutex_increment() {     for (int i = 0; i < 1000; ++i) {         std::lock_guard lock(mtx);         count++;     } }  int main() {     std::thread t1(atomic_increment);     std::thread t2(atomic_increment);     t1.join();     t2.join();     std::cout << "Atomic count: " << atomic_count << std::endl;      std::thread t3(mutex_increment);     std::thread t4(mutex_increment);     t3.join();     t4.join();     std::cout << "Mutex count: " << count << std::endl;      return 0; } 

5.使用场景

  • std::atomic:适用于简单的、需要高性能的原子变量操作。例如计数器、单一标志等。
  • std::mutex:适用于复杂的临界区保护,例如需要保护复杂的数据结构或资源的访问。

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