Parallelität: Atomar und flüchtig im C 11-Speichermodell

Wenn mehrere Threads gleichzeitig auf eine gemeinsam genutzte globale Variable zugreifen, schreiben und lesen die Threads möglicherweise mit auf die Variable Verschiedene Kopien werden in verschiedenen Prozessorkernen zwischengespeichert. Aufgrund der möglichen Diskrepanz zwischen den in den verschiedenen Caches gespeicherten Werten ist es möglich, dass ein Thread einen veralteten Wert aus seinem Cache liest.

Der C 11-Standard stellt jedoch die std::atomic-Bibliothek für atomare Operationen bereit , um sicherzustellen, dass der neueste Wert aus dem anderen Cache gelesen wird. Dies wird durch eine starke Speicherreihenfolge erreicht, die garantiert, dass von einem Thread vorgenommene Änderungen in konsistenter Reihenfolge für andere Threads sichtbar sind.

Andererseits gibt das Schlüsselwort volatile einfach an, dass eine Variable nicht optimiert werden sollte der Compiler, bietet jedoch keine Garantien für den atomaren Zugriff. Es ist in erster Linie für Szenarien wie speicherabgebildete E/A oder Signalverarbeitung konzipiert.

Im Kontext von gemeinsam genutzten Variablen zwischen Threads, wie zum Beispiel den folgenden:

std::atomic ai;

Das Verhalten flüchtiger und atomarer Typen unterscheidet sich erheblich. volatile garantiert keinen atomaren Zugriff und seine Verwendung in Kombination mit std::atomic ist überflüssig. Wenn die Hardwareplattform etwas anderes angibt, hat „volatile“ möglicherweise keinen Einfluss auf den atomaren Zugriff oder die Speicherreihenfolge zwischen Threads.

Andererseits stellt der Typ std::atomic die Speicherreihenfolge über verschiedene Optionen wie std::memory_order_seq_cst bereit , was eine einzige Gesamtreihenfolge für alle atomaren Operationen über alle Variablen hinweg erzwingt. Dadurch wird sichergestellt, dass die Sichtbarkeits- und Reihenfolgebeschränkungen eingehalten werden und Threads keine veralteten Werte in einer streng definierten Reihenfolge beobachten.

Zusätzlich werden Lese-, Änderungs- und Schreiboperationen wie Exchange(), Compare_Exchange_strong() und Fetch_add verwendet () garantiert den Zugriff auf den neuesten Wert. Durch die Ausführung dieser Vorgänge im selben Thread-Kontext beobachten Threads die aktualisierten Werte in der richtigen Reihenfolge und vermeiden so Inkonsistenzen.

Die Arbeit mit atomaren Operationen erfordert sorgfältige Überlegung und Verständnis. Es ist ratsam, Hintergrundmaterial und vorhandenen Code gründlich zu recherchieren, um atomare Operationen effektiv in Produktionscode zu implementieren. In vielen Fällen können Sperren eine praktikable Alternative darstellen, wenn die Herausforderungen atomarer Operationen nicht erforderlich sind.