文章目录

  • ​​1.为什么需要原子性操作​​
  • ​​2.Atomic.h代码分析​​
  • ​​3.原子性操作可以实现无锁队列​​
  • ​​4.muduo的编译选项​​
  • ​​5.Types.h的研究​​

1.为什么需要原子性操作

  • x++;
    （1）从内存中读x的值到寄存器中，对寄存器加1，再把新值写回x所处的内存地址
    （2）我们希望x的值被2个线程加2次，最后等于12，但是却等于11
  • 解决原子问题方法1：使用锁
    当一个线程进入这个区域的时间，另一个线程就不能访问的该区域的资源，必须等到另外一个线程unlock，方可进入，但会引起锁竞争问题
lock
x++
unlock
  • 解决原子问题方法2：使用原子操作
    （1）将下面看成一个整体

    （2）gcc提供原子性操作
    下面的操作是原子的，也就是说是线程安全的；
    锁的开销比原子性开销大
// 原子自增操作，*ptr+value
type __sync_fetch_and_add (type *ptr, type value)


// 原子比较和交换（设置）操作，先比较，后交换(设置)
//若*ptr == oldval，则*ptr=newvl，并返回oldval
//返回bool类型，若*ptr == oldval，则返回为真，再设置；若比较失败，则返回false，也不会设置
type __sync_val_compare_and_swap (type *ptr, type oldval type newval)
bool __sync_bool_compare_and_swap (type *ptr, type oldval type newval)

// 原子赋值操作，*ptr=value
type __sync_lock_test_and_set (type *ptr, type value)
//一般设置native，让系统自动检测本地cpu的类型
使用这些原子性操作，编译的时候需要加-march=cpu-type

2.Atomic.h代码分析

  • Atomic.h代码分析
// Use of this source code is governed by a BSD-style license
// that can be found in the License file.
//
// Author: Shuo Chen (chenshuo at chenshuo dot com)

#ifndef MUDUO_BASE_ATOMIC_H
#define MUDUO_BASE_ATOMIC_H

#include "muduo/base/noncopyable.h"

#include <stdint.h>

namespace muduo
{

namespace detail
{
template<typename T>//T表示传递进来的类型
class AtomicIntegerT : noncopyable //表示AtomicIntegerT类型是不可以拷贝的，就是将=运算符做成私有的
{
 public:
  AtomicIntegerT()
    : value_(0)
  {
  }

  // uncomment if you need copying and assignment
  //
  // AtomicIntegerT(const AtomicIntegerT& that)
  //   : value_(that.get())
  // {}
  //
  // AtomicIntegerT& operator=(const AtomicIntegerT& that)
  // {
  //   getAndSet(that.get());
  //   return *this;
  // }

  T get()
  {
    // in gcc >= 4.7: __atomic_load_n(&value_, __ATOMIC_SEQ_CST)
    //先比较在设置：若value==0，就将value的值设置为0，并返回value的值；若不相等，则直接返回value
    return __sync_val_compare_and_swap(&value_, 0, 0);
  }

  T getAndAdd(T x)
  {
    // in gcc >= 4.7: __atomic_fetch_add(&value_, x, __ATOMIC_SEQ_CST)
    //先获取再加，返回的是没有修改过的value的值，再加x
    return __sync_fetch_and_add(&value_, x);
  }

  T addAndGet(T x)
  {
    //先加后获取
    return getAndAdd(x) + x;
  }

  T incrementAndGet()
  {
    //自增，先加后获取
    return addAndGet(1);
  }

  T decrementAndGet()
  {
    //自减，先减后获取
    return addAndGet(-1);
  }

  void add(T x)
  {
    getAndAdd(x);
  }

  void increment()
  {
    incrementAndGet();
  }

  void decrement()
  {
    decrementAndGet();
  }

  T getAndSet(T newValue)
  {
    // in gcc >= 4.7: __atomic_exchange_n(&value, newValue, __ATOMIC_SEQ_CST)
    //返回原来的值，并设置其为新值
    return __sync_lock_test_and_set(&value_, newValue);
  }

 private:
  volatile T value_;
};
}  // namespace detail

//模板实例化
typedef detail::AtomicIntegerT<int32_t> AtomicInt32;//32bit的原子性整数类
typedef detail::AtomicIntegerT<int64_t> AtomicInt64;

}  // namespace muduo

#endif  // MUDUO_BASE_ATOMIC_H
  • 测试代码目录：
    （1）11\jmuduo\muduo\base\tests\Atomic_unittest.cc 来自于muduo\base\tests\Atomic_unittest.cc
    （2）11\jmuduo\muduo\base\tests\CMakeLists.txt来来自10的Timestamp的研究
    （3）11\jmuduo\muduo\base\Atomic.h来自于muduo\base\Atomic.h
==============================11\jmuduo\muduo\base\tests\CMakeLists.txt=========================================
add_executable(timestamp_unittest Timestamp_unittest.cc)
target_link_libraries(timestamp_unittest muduo_base)

add_executable(atomic_unittest Atomic_unittest.cc)
#target_link_libraries(atomic_unittest muduo_base)##这个例子只提供了头文件，不链接muduo_base库也可以
  • 编译和执行情况
位置参考：
jiwangreal@ubuntu:~/wangji/src/11/build/debug/bin$ ./atomic_unittest

结果啥都没有，因为assert都是真，所以没啥输出

（11）muduo_base库源码分析：原子性：为什么需要原子性操作 ，Atomic.h代码分析 ，原子性操作可以实现无锁队列 ，muduo的编译选项 ，Types.h的研究_ci

3.原子性操作可以实现无锁队列

  • 无锁队列的链表实现
EnQueue(Q, data) //进队列
{
    //准备新加入的结点数据
    n = new node();
    n->value = data;
    n->next = NULL;
    
    //下面的p可以指向尾节点，也可以不指向尾节点
    do {
        p = Q->tail; //取链表尾指针的快照
    } while( CAS(p->next, NULL, n) != TRUE); 
    //while条件注释：如果没有把结点链在尾指针上，再试
    
    //若插入成功，Q->tail和p指针一定是相等的,置尾结点 Q->tail = n;
    CAS(Q->tail, p, n); 
}

说明：
（1）CAS是：原子比较与设置

if (p->next==null)
{
    p->netx=n;//p如果指向的是尾节点，就将新节点添加到链表尾部
    return TRUE;
}
else
    return FALSE;

（2）但是你会看到，为什么我们的“置尾结点”的操作（第13行）不判断是否成功，因为：
如果有一个线程T1，它的while中的CAS如果成功的话，那么其它所有的/随后线程的CAS都会失败(因为其它线程插入的都不是尾节点)，然后就会再循环;
此时，如果T1 线程还没有更新tail指针，其它的线程继续失败，因为tail->next不是NULL了;
直到T1线程更新完 tail 指针，于是其它的线程中的某个线程就可以得到新的 tail 指针，继续往下走了;

所以，只要线程能从 while 循环中退出来，意味着，它已经“独占”了，tail 指针必然可以被更新;
  • volatile的作用： 作为指令关键字，确保本条指令不会因编译器的优化而省略，且要求每次直接读值。
    （1）简单地说就是防止编译器对代码进行优化
    （2）当要求使用volatile 声明的变量的值的时候，系统总是重新从它所在的内存读取数据，而不是使用保存在寄存器中的备份。
    即使它前面的指令刚刚从该处读取过数据。而且读取的数据立刻被保存
    对于多线程很重要！！！
  • 参考：​​无锁队列的实现​​

4.muduo的编译选项

  • eg：11\jmuduo\CMakeLists.txt
-Wall     // 大部分警告 
-Wextra     // 一些额外的警告
-Werror     // 当出现警告时转为错误，停止编译
-Wconversion    // 一些可能改变值的隐式转换，给出警告。
-Wno-unused-parameter // 函数中出现未使用的参数，不给出警告。
-Wold-style-cast    // C风格的转换，给出警告
-Woverloaded-virtual  // 如果函数的声明隐藏住了基类的虚函数，就给出警告。
-Wpointer-arith   // 对函数指针或者void *类型的指针进行算术操作时给出警告，若没有警告，就是地址+1
-Wshadow    // 当一个局部变量遮盖住了另一个局部变量，或者全局变量时，给出警告。
-Wwrite-strings   // 规定字符串常量的类型是const char[length],因此,把这样的地址复制给 non-const char *指针将产生警告.这些警告能够帮助你在编译期间发现企图写入字符串常量 的代码
-march=native   // 指定cpu体系结构为本地平台
-D_FILE_OFFSET_BITS=64  //定义一个宏
  • eg：
#include <stdio.h>

void foo(int x)
{
}

class B
{
public:
  virtual void foo()
  {
  }
};

class D : public B
{
public:
  void foo(int x)//派生类隐藏住了基类的虚函数，编译选项加上-Woverloaded-virtual就会显示这类警告
  {
  }
};


int main(void)
{
  int n;
  double d = 1.23;
  n = d;
  return 0;
}

5.Types.h的研究

  • from：muduo\base\Types.h
template<typename To, typename From>
inline To implicit_cast(From const &f)//隐式转型函数
{
  return f;
}

template<typename To, typename From>     // use like this: down_cast<T*>(foo);
inline To down_cast(From* f)     //向下转换                // so we only accept pointers
{
  //永远不会满足下面的if
  if (false)
  {
    implicit_cast<From*, To>(0);
  }

//!defined(NDEBUG)表示是调试状态
//!defined(GOOGLE_PROTOBUF_NO_RTTI)表示开启运行时的类型识别
#if !defined(NDEBUG) && !defined(GOOGLE_PROTOBUF_NO_RTTI)
  assert(f == NULL || dynamic_cast<To>(f) != NULL);  // RTTI: debug mode only!
#endif
  return static_cast<To>(f);
}
  • eg：
#include <stdio.h>

void foo(int x)
{
}

class B
{
public:
  virtual void foo()
  {
  }
};

class D : public B
{
public:
  void foo(int x)//派生类隐藏住了基类的虚函数，编译选项加上-Woverloaded-virtual就会显示这类警告
  {
  }
};

template<typename To, typename From>
inline To implicit_cast(From const &f) {
  return f;
}

int main(void)
{
  int n;
  double d = 1.23;
  n = d;

  B* pb;
  D* pd = NULL;

  pb = pd;

  //pd隐式转化成了pb，对比上面的写法而言，下面的更加清楚
  pb = implicit_cast<B*, D*>(pd);//这里测试 -Wconversion    // 一些可能改变值的隐式转换，给出警告，这里就不会给出警告
  return 0;
}