C++ 并发编程:使用原子类和内存屏障保障并发安全
在多线程环境中,并发编程是处理共享资源的常见技术。然而,如果不采取适当的措施,并发访问可能会导致数据竞争和内存可见性问题。为了解决这些问题,C++ 提供了原子类和内存屏障。
原子类
原子类是一种封装了基本类型的特殊类,可确保即使在多线程环境中,对其实例的访问也具有原子性。这避免了在读写共享变量时发生数据竞争。
内存屏障
内存屏障是一种特殊指令,用于在不同线程之间强制作序。它们可确保在屏障之前执行的所有内存访问在屏障之后对其可见。C++ 中提供了四种类型的内存屏障:
-
memory_order_acquire
:禁止乱序访问,并确保屏障之前的所有写入都对所有线程可见。 -
memory_order_release
:禁止乱序访问,并确保屏障之后的所有读取都会获取之前的所有写入。 -
memory_order_acq_rel
:结合memory_order_acquire
和memory_order_release
的功能。 -
memory_order_seq_cst
:最严格的屏障,可确保所有程序顺序。
实战案例
考虑以下示例,其中两个线程共享一个计数器:
// 原子计数器 std::atomic counter; void thread1() { // ... counter.fetch_add(1, std::memory_order_release); // ... } void thread2() { // ... int value = counter.load(std::memory_order_acquire); // ... }
在 thread1
中,fetch_add
操作使用 memory_order_release
屏障,确保对 counter
的写入在所有线程中都可见。在 thread2
中,load
操作使用 memory_order_acquire
屏障,确保在读取 counter
之前获取所有以前对 counter
的写入。这消除了数据竞争和内存可见性问题。
注意
内存屏障可能会降低性能。因此,仅在必要时才使用它们。此外,始终使用 std::memory_order_seq_cst
来保证最高的内存可见性,但它也是性能开销最大的。
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