std::atomic_ref 的替代方案

如何解决std::atomic_ref 的替代方案

我正在寻找

的替代品，它可以在不需要 C++20 支持的情况下使用。我考虑过将指针投射到 std::atomic 但这似乎不是一个安全的选择。

用例是在原子引用的生命周期内对非原子对象应用原子操作以避免竞争。被访问的对象不能都被原子化，所以需要一个像 atomic_ref 这样的包装器。

感谢任何帮助！

解决方法

如果您的编译器支持 OpenMP（大多数支持），您可以使用 #pragma atomic 标记您的对象访问。可能具有正确的操作（read、write、update、capture）和内存排序语义。

编辑

或者，Boost 似乎也提供了 atomic_ref 可用于 C++20 之前的代码：https://www.boost.org/doc/libs/1_75_0/doc/html/atomic/interface.html#atomic.interface.interface_atomic_ref

另一种方法可能是使用 reinterpret_cast 将非原子对象转换为原子对象。此解决方案可能会导致未定义的行为，但实际上可能适用于某些实现。例如，它在 Facebook Folly 库中使用：https://github.com/facebook/folly/blob/master/folly/synchronization/PicoSpinLock.h#L95。

,

在 GCC/clang（以及其他实现 GNU C 扩展的编译器）中，您可以使用 __atomic builtins，例如

int load_result = __atomic_load_n(&plain_int_var,__ATOMIC_ACQUIRE);

这就是在此类编译器上实现 atomic_ref<T> 的方式：只是这些内置函数的包装器。 （这就是为什么 atomic_ref 是超轻量级的，通常最好在每次需要时免费构建一个，而不是保留一个 atomic_ref。）

由于您没有std::atomic_ref<T>::required_alignment，通常让对象自然对齐就足够了，即alignas( sizeof(T) ) T foo;以确保__atomic操作实际上是原子的，以及具有内存顺序保证。 （在许多实现中，所有支持无锁原子的普通 T 已经获得了足够的对齐，但例如一些 32 位系统仅将 int64_t 对齐 4 个字节，但 8 字节原子是仅具有 8 字节对齐的原子。x86 gcc -m32 在此 in C++ for a while 上有问题，对于 a lot longer with _Atomic in C，最终在 2020 年修复，尽管它只影响结构成员。）

---

reinterpret_cast< std::atomic<T>* > 实际上可能在大多数编译器上实际工作，甚至可能不是 UB，这取决于 atomic<> 的内部结构。

（大多数？）其他编译器使用内置函数以类似于 GNU C 的方式实现 atomic（和 atomic_ref）。例如对于 MSVC，类似于 _InterlockedExchange() 来实现 atomic<>::exchange。

在主流 C++ 实现中，atomic<T> 与普通的 T 具有相同的大小和布局。 （大小是你可以static_assert）理论上非无锁atomic<>可以包含互斥锁或其他东西，但正常的实现不会（{{3 }}）。 （部分是为了与 C11 _Atomic 兼容，IIRC 对即使未初始化或零初始化的对象仍能正常工作有一些要求。但也只是出于大小原因。）

尽管 ISO C++ 不保证其定义良好，但您基本上最终会在具有相同地址的 __atomic_fetch_add_n 的 InterlockedAdd 成员变量上调用 int 或 atomic<int>作为您原来的普通int。

从技术上讲，那可能仍然是 UB；有一条规则是关于结构在定义中的第一个差异之前是兼容的，但我不太确定 int* 到结构中，尤其是 struct{int;}* 指向 int 对象的指针。我认为这违反了严格别名规则。

但我认为在实践中仍然不太可能突破。尽管如此，可能的损坏只会在优化时出现，并且取决于周围的代码，这意味着您无法轻松为其编写单元测试。

然而，最有可能中断的情况是，如果同一个函数（内联之后）正在读取或写入普通变量与通过 {{1} } 或 atomic<>* 参考。特别是如果没有任何类型的内存屏障来分隔这些访问，例如调用 atomic<>&。 如果您在一个函数中混合使用原子访问和非原子访问（内联之后），这可能足够安全且可移植，直到您可以正确使用 some_thread.join()。

---

另一个不错的短期选择是直接手动使用 GNU C 或 MSVC atomic 内置函数，如果您的源代码目前只关心其中一个。或者自己动手（有限的子集） ) atomic_ref<> 使用您实际需要的这些函数的版本。

• Where is the lock for a std::atomic?
• atomic_ref（内在/内置函数）https://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc/_005f_005fatomic-Builtins.html
• _InterlockedAdd（Windows 库函数）https://docs.microsoft.com/en-us/previous-versions/51s265a6(v=vs.85)