C++11多线程的原子操作

ゝ一纸荒年。 2022-06-07 09:59 173阅读 0赞

#include <iostream>
    #include <string>
    #include <list>
    #include <ctime>
    #include <mutex>
    #include <atomic>
    #include <thread>
    #include <cassert>
    
    // 1.所谓的原子操作，取的就是“原子是最小的、不可分割的最小个体”的意义，它表示在多个线程访问同一个全局资源的时候，
    // 能够确保所有其他的线程都不在同一时间内访问相同的资源。也就是他确保了在同一时刻只有唯一的线程对这个资源进行访问。
    // 这有点类似互斥对象对共享资源的访问的保护，但是原子操作更加接近底层，因而效率更高。
    
    // 2.在新标准C++11，引入了原子操作的概念，并通过这个新的头文件提供了多种原子操作数据类型，例如，atomic_bool, atomic_int等等，
    // 如果我们在多个线程中对这些类型的共享资源进行操作，编译器将保证这些操作都是原子性的，也就是说，确保任意时刻只有一个线程对这个
    // 资源进行访问，编译器将保证，多个线程访问这个共享资源的正确性。从而避免了锁的使用，提高了效率。
    
    // 3.所谓原子操作是指不会被线程调度机制打断的操作；这种操作一旦开始，就一直运行到结束，中间不会有任何 context switch(切换到另一个线程）。
    
    // 模拟点击操作，一百个用户同时点击100000次。服务器累计点击总次数，结果应为10000000。
    
    typedef void(*ClickFunc)();
    
    static long s_clicked_count = 0;
    static std::atomic_long s_atomic_clicked_count;
    
    static std::mutex s_mutex;
    
    static void Click1() {
      for (long i = 0; i < 100000; ++i) {
        // 对全局资源进行无锁访问，线程不安全导致累加的结果不准确，大约几十毫秒。
        s_clicked_count += 1;
      }
    }
    
    static void Click2() {
      for (long i = 0; i < 100000; ++i) {
        // 4.加锁是一件十分耗时的操作，严重损耗性能。
        // 对全局资源进行加锁访问，线程安全，结果正确，但是十分耗时大约两分钟。
        s_mutex.lock();
        s_clicked_count += 1;
        s_mutex.unlock();
      }
    }
    
    static void Click3() {
      // 5.原子操作的实现跟普通数据类型类似，但是它能够在保证结果正确的前提下，提供比mutex等锁机制更好的性能，
      // 如果我们要访问的共享资源可以用原子数据类型表示，那么在多线程程序中使用这种新的等价数据类型。
      for (long i = 0; i < 1000000; ++i) {
        // 原子数据类型，线程安全，结果正确，大约两秒。
        s_atomic_clicked_count += 1;
      }
    }
    
    static void Test(ClickFunc click_func) {
      s_clicked_count = 0;
      s_atomic_clicked_count = 0;
    
      clock_t start = clock();
    
      const int kThreadCount = 100;
    
      std::thread threads[kThreadCount];
      for (int i = 0; i < kThreadCount; ++i) {
        threads[i] = std::thread(click_func);
      }
    
      for (int i = 0; i < kThreadCount; ++i) {
        threads[i].join();
      }
    
      clock_t end = clock();
    
      std::cout << end - start << "ms. s_clicked_count: " << s_clicked_count;
      std::cout << " s_atomic_clicked_count： " << s_atomic_clicked_count << std::endl;
    }
    
    int main() {
      std::cout << "无锁访问： ";
      Test(Click1);
    
      std::cout << "原子数据类型： ";
      Test(Click3);
    
      std::cout << "加锁访问： ";
      Test(Click2);
    
      return 0;
    }