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  • C++多线程原子操作线程阻塞

    千次阅读 2018-11-29 21:55:59
    原子操作 在C++11,<Thread>头文件包含了Thread类,提供线程的管理。 原子操作:不可被中断的一个或者一系列操作,这些操作要一次性执行完毕,或者一个都不执行。 多线程存在的问题 在多线程中...

    头文件#include <Thread>及原子操作

    在C++11中,<Thread>头文件包含了Thread类,提供线程的管理。

    原子操作:不可被中断的一个或者一系列操作,这些操作要一次性执行完毕,或者一个都不执行。




    多线程存在的问题

    在多线程中,由于进程的多个线程都是共享该进程的所有资源,那么如果有多个线程访问同一个资源时,可能会出现问题。

    如果多个线程都是只读操作,那么数据不会被修改,每个进程读到的数据都是一致的,得到的结果自然也是正确的;如果涉及到数据的修改,那么多个进程读取的结果可能会出现意想不到的情况

    Demo

    #include <iostream>
    #include <thread>
    using namespace std;
    
    uint64_t sum = 0;
     
    void func(){
        for(uint64_t i = 0; i < 100000; i++)
            sum += i;
    }
     
    int main(){
        cout << "Start:\tsum = " << sum << endl;
        
    	thread th1(func);
        thread th2(func);
        th1.join();
        th2.join();
        
        cout << "End:\tsum = " << sum << endl;
        
       	return 0;
    }
    

    代码和运行结果分析:

    代码分析
    在func中实现从0到99999的累加,在main()中实例化两个线程,调用func,理论上得到的结果应该为9999900000。实际运行结果如下:
    在这里插入图片描述

    结果分析
    尝试几次运行后发现每次的结果都不一样,并且都不是想要的结果。

    因为对sum的修改并不是原子操作,两个线程th1和th2都在同时修改sum
    在机器指令层面,sum += i操作被分割成两步①先保存i的值到寄存器,②再将该寄存器的值+sum,然后保存到sum中。
    在两步的间隙中,多线程的问题便体现出来。




    原子操作

    在C++11中,加入了新的头文件<atomic>,这是一个模板类,其中定义了数据类型以及重载操作符等。

    之前定义的sum类型是uint64_t,即unsigned long long类型,在atomic头文件包含的头文件<atomic_basic.h>中,

    	...
    	/// atomic_uint
    	typedef __atomic_base<unsigned int>	     	atomic_uint;
    
    	/// atomic_long
    	typedef __atomic_base<long>  	       		atomic_long;
    
    	/// atomic_ulong
    	typedef __atomic_base<unsigned long>		atomic_ulong;
    
    	/// atomic_llong
    	typedef __atomic_base<long long>  		atomic_llong;
    
    	/// atomic_ullong
    	typedef __atomic_base<unsigned long long> 	atomic_ullong;
    	...
    
    

    所以用新的类型atomic_ullong声明sum变量。

    修改后的demo

    #include <iostream>
    #include <thread>
    #include <atomic>
    using namespace std;
    
    atomic_ullong sum = {0};
     
    void func(){
        for(uint64_t i = 0; i < 100000; ++i)
            sum += i;
    }
     
    int main(){
        cout << "Start: sum = " << sum << endl;
        
    	thread th1(func);
        thread th2(func);
        th1.join();
        th2.join();
        
        cout << "End: sum = " << sum << endl;
        
       	return 0;
    }
    

    运行结果如下:
    在这里插入图片描述
    因为sum变量声明atomic,所以为原子操作,多个线程之间不会干扰,结果正确

    修改方案2

    #include <iostream>
    #include <thread>
    using namespace std;
    
    uint64_t sum = 0L;
     
    void func(){
        for(uint64_t i = 0; i < 100000; i++)
            sum += i;
    }
     
    int main(){
        cout << "Start:\tsum = " << sum << endl;
        
        thread th1(func);
        th1.join();
        thread th2(func);
        th2.join();
        
        cout << "End:\tsum = " << sum << endl;
        
       	return 0;
    }
    

    对两个线程分别用join操作,也可以得到正确的结果。
    这里没有用原子操作,而是用线程的阻塞,保证th1线程在执行的过程中,th2无法访问th1所占用的资源。最终可以得到正确的结果。

    join操作的阻塞相关参考:https://blog.csdn.net/hl_zzl/article/details/84637415

    展开全文
  • Java多线程原子操作

    千次阅读 2019-06-03 22:11:29
    本文目录: 文章目录CAS原理与问题CAS的操作过程...在并发编程很容易出现并发安全问题,最简单的例子就是多线程更新变量i=1,多个线程执行i++操作,就有可能获取不到正确的值,而这个问题,最常用的方法是通过Sy...

    本文目录:


    在并发编程中很容易出现并发安全问题,最简单的例子就是多线程更新变量i=1,多个线程执行i++操作,就有可能获取不到正确的值,而这个问题,最常用的方法是通过Synchronized进行控制来达到线程安全的目的。但是由于synchronized是采用的是悲观锁策略,并不是特别高效的一种解决方案。实际上,在J.U.C下的Atomic包提供了一系列的操作简单,性能高效,并能保证线程安全的类去更新多种类型。Atomic包下的这些类都是采用乐观锁策略CAS来更新数据。

    CAS原理与问题

    CAS操作(又称为无锁操作)是一种乐观锁策略。它假设所有线程访问共享资源的时候不会出现冲突,因此不会阻塞其他线程的操作。那么,如果出现冲突了怎么办?无锁操作是使用CAS(compare and swap)来鉴别线程是否出现冲突,出现冲突就重试当前操作直到没有冲突为止。

    CAS的操作过程

    举例说明:
    Atomic包中的AtomicInteger类,是通过Unsafe类下的native函数compareAndSwapInt自旋来保证原子性,
    其中incrementAndGet函数调用的getAndAddInt函数如下所示:

    public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
            int var5;
            do {
                var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
            } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
    
            return var5;
        }
    

    CAS有3个操作数,内存值V,旧的预期值A,要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时,将内存值V修改为B,否则什么都不做。
    可见只有自旋实现更新数据操作之后,while循环才能够结束。

    CAS的问题

    1. 自旋时间过长。由compareAndSwapInt函数可知,自旋时间过长会对性能是很大的消耗。
    2. ABA问题。因为CAS会检查旧值有没有变化,这里存在这样一个有意思的问题。比如一个旧值A变为了成B,然后再变成A,刚好在做CAS时检查发现旧值并没有变化依然为A,但是实际上的确发生了变化。解决方案可以添加一个版本号可以解决。原来的变化路径A->B->A就变成了1A->2B->3C,或使用AtomicStampedReference工具类。

    Atomic包的使用

    原子更新基本类型

    Atomic包中原子更新基本类型的工具类:
    AtomicBoolean:以原子更新的方式更新boolean;
    AtomicInteger:以原子更新的方式更新Integer;
    AtomicLong:以原子更新的方式更新Long;

    这几个类的用法基本一致,这里以AtomicInteger为例总结常用的方法

    1. addAndGet(int delta):以原子方式将输入的数值与实例中原本的值相加,并返回最后的结果;
    2. incrementAndGet() :以原子的方式将实例中的原值进行加1操作,并返回最终相加后的结果;
    3. getAndSet(int newValue):将实例中的值更新为新值,并返回旧值;
    4. getAndIncrement():以原子的方式将实例中的原值加1,返回的是自增前的旧值;

    原理不再赘述,参考上文compareAndSwapInt函数。

    AtomicInteger使用示例:

    public class AtomicExample {
    
        private static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(2);
    
        public static void main(String[] args) {
            System.out.println(atomicInteger.getAndIncrement());
            System.out.println(atomicInteger.incrementAndGet());
            System.out.println(atomicInteger.get());
        }
    }
    // 2 4 4
    

    LongAdder

    为了解决自旋导致的性能问题,JDK8在Atomic包中推出了LongAdder类。LongAdder采用的方法是,共享热点数据分离的计数:将一个数字的值拆分为一个数组。不同线程会命中到数组的不同槽中,各个线程只对自己槽中的那个值进行CAS操作,这样热点就被分散了,冲突的概率就小很多;要得到这个数字的话,就要把这个值加起来。相比AtomicLong,并发量大大提高。

    优点:有很高性能的并发写的能力
    缺点:读取的性能不是很高效,而且如果读取的时候出现并发写的话,结果可能不是正确的

    原子更新数组类型

    Atomic包中提供能原子更新数组中元素的工具类:
    AtomicIntegerArray:原子更新整型数组中的元素;
    AtomicLongArray:原子更新长整型数组中的元素;
    AtomicReferenceArray:原子更新引用类型数组中的元素

    这几个类的用法一致,就以AtomicIntegerArray来总结下常用的方法:

    1. addAndGet(int i, int delta):以原子更新的方式将数组中索引为i的元素与输入值相加;
    2. getAndIncrement(int i):以原子更新的方式将数组中索引为i的元素自增加1;
    3. compareAndSet(int i, int expect, int update):将数组中索引为i的位置的元素进行更新

    AtomicIntegerArray与AtomicInteger的方法基本一致,只不过在前者的方法中会多一个指定数组索引位i。

    AtomicIntegerArray使用示例:

    public class AtomicExample {
    
        private static int[] value = new int[]{1, 2, 3};
        private static AtomicIntegerArray integerArray = new AtomicIntegerArray(value);
    
        public static void main(String[] args) {
            //对数组中索引为2的位置的元素加3
            int result = integerArray.getAndAdd(2, 3);
            System.out.println(integerArray.get(2));
            System.out.println(result);
        }
    }
    // 6 3
    

    原子更新引用类型

    如果需要原子更新引用类型变量的话,为了保证线程安全,Atomic也提供了相关的类:

    1. AtomicReference:原子更新引用类型;
    2. AtomicReferenceFieldUpdater:原子更新引用类型里的字段;
    3. AtomicMarkableReference:原子更新带有标记位的引用类型;

    AtomicReference使用示例:

    public class AtomicExample {
    
        private static AtomicReference<User> reference = new AtomicReference<>();
    
        public static void main(String[] args) {
            User user1 = new User("a", 1);
            reference.set(user1);
            User user2 = new User("b",2);
            User user = reference.getAndSet(user2);
            System.out.println(user);
            System.out.println(reference.get());
        }
    
        static class User {
            private String userName;
            private int age;
    
            public User(String userName, int age) {
                this.userName = userName;
                this.age = age;
            }
    
            @Override
            public String toString() {
                return "User{" +
                        "userName='" + userName + '\'' +
                        ", age=" + age +
                        '}';
            }
        }
    }
    // User{userName='a', age=1}
    // User{userName='b', age=2}
    

    AtomicReferenceFieldUpdater使用示例:

    public class AtomicExample {
    
        public static void main(String[] args) {
            AtomicReferenceFieldUpdater updater = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(Dog.class, String.class, "name");
            Dog dog1 = new Dog();
            updater.compareAndSet(dog1, dog1.name, "cat");
            System.out.println(dog1.name);
        }
    }
    
    class Dog {
        volatile String name = "dog1";
    }
    

    原子更新字段类型

    如果需要更新对象的某个字段,Atomic同样也提供了相应的原子操作类:

    1. AtomicIntegeFieldUpdater:原子更新整型字段类;
    2. AtomicLongFieldUpdater:原子更新长整型字段类;

    要想使用原子更新字段需要两步操作:
    原子更新字段类型类都是抽象类,只能通过静态方法newUpdater来创建一个更新器,并且需要设置想要更新的类和属性;
    更新类的属性必须使用public volatile进行修饰;

    AtomicIntegerFieldUpdater使用示例:

    public class AtomicExample {
    
        private static AtomicIntegerFieldUpdater updater = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(User.class, "age");
    
        public static void main(String[] args) {
            User user = new User("a", 1);
            System.out.println(updater.getAndAdd(user, 5));
            System.out.println(updater.addAndGet(user, 1));
            System.out.println(updater.get(user));
        }
    
        static class User {
            private String userName;
            public volatile int age;
    
            public User(String userName, int age) {
                this.userName = userName;
                this.age = age;
            }
    
            @Override
            public String toString() {
                return "User{" +
                        "userName='" + userName + '\'' +
                        ", age=" + age +
                        '}';
            }
        }
    }
    

    解决CAS的ABA问题

    AtomicStampedReference:原子更新引用类型,这种更新方式会带有版本号,从而解决CAS的ABA问题

    AtomicStampedReference使用示例:

    public class AtomicExample {
    
        public static void main(String[] args) {
            Integer init1 = 1110;
    //        Integer init2 = 126;
            AtomicStampedReference<Integer> reference = new AtomicStampedReference<>(init1, 1);
            int curent1 = reference.getReference();
    //        Integer current2 = reference.getReference();
            reference.compareAndSet(reference.getReference(), reference.getReference() + 1, reference.getStamp(), reference.getStamp() + 1);//正确写法
    //        reference.compareAndSet(current2, current2+1, reference.getStamp(), reference.getStamp() + 1);//正确写法
    //        reference.compareAndSet(1110, 1111, reference.getStamp(), reference.getStamp() + 1);//错误写法
    //        reference.compareAndSet(curent1, curent1+1, reference.getStamp(), reference.getStamp() + 1);//错误写法
    //        reference.compareAndSet(current2, current2 + 1, reference.getStamp(), reference.getStamp() + 1);
            System.out.println("reference.getReference() = " + reference.getReference());
        }
    }
    

    AtomicStampedReference踩过的坑

    参考上面的代码,分享一个笔者遇到的一次坑。AtomicStampedReference的compareAndSet函数中,前两个参数是使用包装类的。所以当参数超过128时,而且传入参数并不是reference.getReference()获取的话,会导致expectedReference == current.reference为false,则无法进行更新。

    public boolean compareAndSet(V   expectedReference,
                                     V   newReference,
                                     int expectedStamp,
                                     int newStamp) {
            Pair<V> current = pair;
            return
                expectedReference == current.reference &&
                expectedStamp == current.stamp &&
                ((newReference == current.reference &&
                  newStamp == current.stamp) ||
                 casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));
        }
    

    哎呀,如果我的名片丢了。微信搜索“全菜工程师小辉”,依然可以找到我

    展开全文
  • 线程程序原子操作
  • 在多线程中操作全局变量一般都会引起线程冲突,为了解决线程冲突,引入原子操作。所谓原子操作,是指不会被线程调度机制打断的操作,操作一旦开始,就得执行到结束为止。原子操作可以是一个步骤,也可以是多个操作...

                     C++拾遗--多线程:原子操作解决线程冲突

    前言

        在多线程中操作全局变量一般都会引起线程冲突,为了解决线程冲突,引入原子操作。

    正文

    1.线程冲突

    #include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <process.h>
    #include <Windows.h>
    int g_count = 0;
    void count(void *p)
    {
    	Sleep(100);    //do some work
    	//每个线程把g_count加1共10次
    	for (int i = 0; i < 10; i++)
    	{
    		g_count++;
    	}
    	Sleep(100);   //do some work
    }
    int main(void)
    {
    	printf("******多线程访问全局变量演示***by David***\n");
    	//共创建10个线程
    	HANDLE handles[10];
    	for (int i = 0; i < 10; i++)
    	{
    		for (int j = 0; j < 10; j++)
    		{
    			handles[j] = _beginthread(count, 0, NULL);
    		}
    		WaitForMultipleObjects(10, handles, 1, INFINITE);
    		printf("%d time g_count = %d\n", i, g_count);
    		//重置
    		g_count = 0;
    	}
    	getchar();
    	return 0;
    }
    运行


    理论上,g_count的最后结果应该是100,可事实却并非如此,不但结果不一定是100,而且每次的结果还很可能不一样。原因是,多个线程对同一个全局变量进行访问时,特别是在进行修改操作,会引起冲突。详细解释:

    设置断点,查看反汇编


    g_count++;被分为三步操作:

    1.把g_count的内容从内存中移动到寄存器eax

    2.把寄存器eax加1

    3.把寄存器eax中的内容移动到内存g_count的地址

    三步以后,g_count的值被顺利加1。

    cpu执行的时间片内包含多条指令,每条指令执行期间不会被打断,但如果一个操作包含多条指令,则很有可能该操作会被打断。g_count++;就是这样的操作。

    g_count被顺利加到100的前提:每次加1,都建立在上一次加1顺利完成的基础上。也就是说,如果上一次加1被打断,这一次的加1就得不到上一次加1的累积效果。自然,最后的结果,多半会小于100。


    2.原子操作

    所谓原子操作,是指不会被线程调度机制打断的操作,操作一旦开始,就得执行到结束为止。原子操作可以是一个步骤,也可以是多个操作步骤,但是其顺序是不可以被打乱,或者切割掉只执行部分。原子操作一般靠底层汇编实现。

    在头文件winnt.h中提供了很多的原子操作函数,它们使用自加锁的方式,保证操作的原子性,如自增操作

    InterlockedIncrement,

    函数原型

    LONG CDECL_NON_WVMPURE InterlockedIncrement(
    _Inout_ _Interlocked_operand_ LONG volatile *Addend
    );

    其它相关操作,请自行查看头文件。

    使用该函数,我们修改线程函数count。修改很简单,只需把g_count++改为InterlockedIncrement((LONG)&g_count);即可。

    运行如下


    显然,在原子操作下,我们肯定是可以得到正确结果的。




    本专栏目录

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    展开全文
  • 线程-原子操作

    千次阅读 2014-12-10 23:07:53
    一、何谓Atomic?  Atomic一词跟原子...通常来说,原子指令由硬件提供,供软件来实现原子方法(某个线程进入该方法后,就不会被中断,直到其执行完成)    在x86 平台上,CPU提供了在指令执行期间对总线

    一、何谓Atomic?

     Atomic一词跟原子有点关系,后者曾被人认为是最小物质的单位。计算机中的Atomic是指不能分割成若干部分的意思。如果一段代码被认为是Atomic,则表示这段代码在执行过程中,是不能被中断的。通常来说,原子指令由硬件提供,供软件来实现原子方法(某个线程进入该方法后,就不会被中断,直到其执行完成)

     

     在x86 平台上,CPU提供了在指令执行期间对总线加锁的手段。CPU芯片上有一条引线#HLOCK pin,如果汇编语言的程序中在一条指令前面加上前缀"LOCK",经过汇编以后的机器代码就使CPU在执行这条指令的时候把#HLOCK pin的电位拉低,持续到这条指令结束时放开,从而把总线锁住,这样同一总线上别的CPU就暂时不能通过总线访问内存了,保证了这条指令在多处理器环境中的原子性。

     

    二、JDK1.5的原子包:java.util.concurrent.atomic

    这个包里面提供了一组原子类。其基本的特性就是在多线程环境下,当有多个线程同时执行这些类的实例包含的方法时,具有排他性,即当某个线程进入方法,执行其中的指令时,不会被其他线程打断,而别的线程就像自旋锁一样,一直等到该方法执行完成,才由JVM从等待队列中选择一个另一个线程进入,这只是一种逻辑上的理解。实际上是借助硬件的相关指令来实现的,不会阻塞线程(或者说只是在硬件级别上阻塞了)。其中的类可以分成4组

    • AtomicBoolean,AtomicInteger,AtomicLong,AtomicReference
    • AtomicIntegerArray,AtomicLongArray
    • AtomicLongFieldUpdater,AtomicIntegerFieldUpdater,AtomicReferenceFieldUpdater
    • AtomicMarkableReference,AtomicStampedReference,AtomicReferenceArray

    Atomic类的作用

    • 使得让对单一数据的操作,实现了原子化
    • 使用Atomic类构建复杂的,无需阻塞的代码
      • 访问对2个或2个以上的atomic变量(或者对单个atomic变量进行2次或2次以上的操作)通常认为是需要同步的,以达到让这些操作能被作为一个原子单元。

    三、AtomicBoolean , AtomicInteger, AtomicLong, AtomicReference

    这四种基本类型用来处理布尔,整数,长整数,对象四种数据。

    • 构造函数(两个构造函数)
      • 默认的构造函数:初始化的数据分别是false,0,0,null
      • 带参构造函数:参数为初始化的数据
    • set( )和get( )方法:可以原子地设定和获取atomic的数据。类似于volatile,保证数据会在主存中设置或读取
    • getAndSet( )方法
      • 原子的将变量设定为新数据,同时返回先前的旧数据
      • 其本质是get( )操作,然后做set( )操作。尽管这2个操作都是atomic,但是他们合并在一起的时候,就不是atomic。在Java的源程序的级别上,如果不依赖synchronized的机制来完成这个工作,是不可能的。只有依靠native方法才可以。
    • compareAndSet( ) 和weakCompareAndSet( )方法
      • 这两个方法都是conditional modifier方法。这2个方法接受2个参数,一个是期望数据(expected),一个是新数据(new);如果atomic里面的数据和期望数据一致,则将新数据设定给atomic的数据,返回true,表明成功;否则就不设定,并返回false。
    • 对于AtomicInteger、AtomicLong还提供了一些特别的方法。getAndIncrement( )、incrementAndGet( )、getAndDecrement( )、decrementAndGet ( )、addAndGet( )、getAndAdd( )以实现一些加法,减法原子操作。(注意 --i、++i不是原子操作,其中包含有3个操作步骤:第一步,读取i;第二步,加1或减1;第三步:写回内存)

    四、示例

    例如,类 AtomicLong 和 AtomicInteger 提供了原子增量方法。一个应用程序将按以下方式生成序列号:
    class Sequencer {
    private AtomicLong sequenceNumber = new AtomicLong(0);
    public long next() { return sequenceNumber.getAndIncrement(); }
    }

    AtomicBoolean使用示例

    private AtomicBoolean running = new AtomicBoolean(false);
    	@Override
    	protected Object execute() throws Exception {
    		if (running.compareAndSet(false, true)) {
    			try {
    			//TODO
    			} finally {
    				running.set(false);
    			}
    		}
    	}






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空空如也

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线程中原子操作