C++ Concurrent Programming: Wie nutzt man atomare Klassen und Speicherbarrieren?

C++ Concurrent Programming: Verwenden Sie atomare Klassen und Speicherbarrieren, um die Sicherheit der Parallelität zu gewährleisten.

In einer Multithread-Umgebung ist die gleichzeitige Programmierung eine gängige Technik für den Umgang mit gemeinsam genutzten Ressourcen. Wenn jedoch keine geeigneten Maßnahmen ergriffen werden, kann der gleichzeitige Zugriff zu Datenwettläufen und Problemen mit der Speichersichtbarkeit führen. Um diese Probleme zu lösen, stellt C++ atomare Klassen und Speicherbarrieren bereit.

Atomic-Klasse

Atomic-Klasse ist eine spezielle Klasse, die einen Basistyp kapselt und sicherstellt, dass der Zugriff auf seine Instanzen auch in einer Multithread-Umgebung atomar ist. Dies vermeidet Datenrennen beim Lesen und Schreiben von gemeinsam genutzten Variablen.

Speicherbarriere

Eine Speicherbarriere ist eine spezielle Anweisung, die verwendet wird, um ein Programm zwischen verschiedenen Threads zu erzwingen. Sie sorgen dafür, dass alle vor der Barriere durchgeführten Speicherzugriffe auch nach der Barriere sichtbar sind. In C++ werden vier Arten von Speicherbarrieren bereitgestellt:

• memory_order_acquire: Verhindert Zugriffe außerhalb der Reihenfolge und stellt sicher, dass alle Schreibvorgänge vor der Barriere für alle Threads sichtbar sind.
memory_order_acquire：禁止乱序访问，并确保屏障之前的所有写入都对所有线程可见。
• memory_order_release：禁止乱序访问，并确保屏障之后的所有读取都会获取之前的所有写入。
• memory_order_acq_rel：结合 memory_order_acquire 和 memory_order_release 的功能。
• memory_order_seq_cst：最严格的屏障，可确保所有程序顺序。

实战案例

考虑以下示例，其中两个线程共享一个计数器：

// 原子计数器
std::atomic<int> counter;

void thread1() {
    // ...
    counter.fetch_add(1, std::memory_order_release);
    // ...
}

void thread2() {
    // ...
    int value = counter.load(std::memory_order_acquire);
    // ...
}

在 thread1 中，fetch_add 操作使用 memory_order_release 屏障，确保对 counter 的写入在所有线程中都可见。在 thread2 中，load 操作使用 memory_order_acquire 屏障，确保在读取 counter 之前获取所有以前对 counter 的写入。这消除了数据竞争和内存可见性问题。

注意

内存屏障可能会降低性能。因此，仅在必要时才使用它们。此外，始终使用 std::memory_order_seq_cstmemory_order_release: Verhindert Zugriffe außerhalb der Reihenfolge und stellt sicher, dass alle Lesevorgänge nach der Barriere alle vorherigen Schreibvorgänge erfassen.

memory_order_acq_rel: Kombiniert die Funktionen von memory_order_acquire und memory_order_release. 🎜memory_order_seq_cst: Die strengste Barriere, um die gesamte Programmreihenfolge sicherzustellen. 🎜🎜Praktischer Fall🎜🎜🎜Betrachten Sie das folgende Beispiel, in dem zwei Threads einen Zähler gemeinsam nutzen: 🎜rrreee🎜In thread1 die Operation fetch_add Verwenden Sie die Barriere memory_order_release, um sicherzustellen, dass Schreibvorgänge in counter für alle Threads sichtbar sind. In thread2 verwendet die load-Operation die memory_order_acquire-Barriere, um sicherzustellen, dass alle vorherigen -Paare erfasst werden, bevor der <code>counter gelesen wird Schreiben von >Zähler. Dadurch werden Datenrennen und Probleme mit der Speichersichtbarkeit vermieden. 🎜🎜🎜Hinweis 🎜🎜🎜Speicherbarrieren können die Leistung beeinträchtigen. Verwenden Sie sie daher nur bei Bedarf. Verwenden Sie außerdem immer std::memory_order_seq_cst, um die höchste Speichersichtbarkeit zu gewährleisten, aber auch den höchsten Leistungsaufwand zu verursachen. 🎜

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