std::atomic は並行プログラミングでデータの整合性をどのように保証しますか?

std::atomic のパワーを明らかにする

同時プログラミングの領域では、複数のスレッド間でデータの整合性を維持することが重要な課題です。 C 標準ライブラリの不可欠なコンポーネントである std::atomic は、アトミック オブジェクト、つまり未定義の動作を引き起こさずにさまざまなスレッドが同時に操作できるオブジェクトを提供することでソリューションを提供します。

「アトミック オブジェクト」とは何ですか?本当に意味があるのでしょうか?

アトミック オブジェクトにより、複数のスレッドからの同時アクセスが可能になり、各操作 (読み取りや書き込みなど) が瞬時に行われたように見えます。これにより、データ競合 (複数のスレッドが同じ共有データにアクセスしようと競合する状況) が排除され、同時実行コードの正確性と予測可能性が保証されます。

提供された例のコード スニペット:

a = a + 12;

単一のアトミック操作を構成しません。代わりに、a の値のロード、その値への 12 の加算、および結果の a へのストアで構成されます。これらの各サブ操作はアトミックであり、 a の値が各スレッドの意図どおりに変更されることが保証されます。

ただし、 = 演算子は、 fetch_add(12, std: と同等の) 本物のアトミック操作を提供します。 :memory_order_seq_cst)。この場合、加算はアトミックに実行され、データ競合の可能性なしに a の値が 12 ずつ変更されることが保証されます。

アトミック性を超えて: メモリの順序付けと制御

std::atomic は、プログラマがメモリの順序、つまりスレッド全体でのメモリ アクセスの順序をきめ細かく制御できるようにします。 std::memory_order_seq_cst や std::memory_order_release などのメモリ順序を指定することで、開発者は明示的な同期と順序付けの制約を課して、複雑な同時アルゴリズムを正しく実行できるようにすることができます。

以下のコード サンプルでは、​​「プロデューサー」スレッドはデータを生成し、std::memory_order_release メモリ順序を使用して read_flag を 1 に設定します。一方、「コンシューマ」スレッドは、std::memory_order_acquire メモリ順序を使用して read_flag をロードします。これにより、「コンシューマ」スレッドはデータが生成され、ready_flag が設定された後にのみデータにアクセスすることが保証されます。

void* sharedData = nullptr;
std::atomic<int> ready_flag = 0;

// Producer Thread
void produce()
{
    sharedData = generateData();
    ready_flag.store(1, std::memory_order_release);
}

// Consumer Thread
void consume()
{
    while (ready_flag.load(std::memory_order_acquire) == 0)
    {
        std::this_thread::yield();
    }

    assert(sharedData != nullptr); // will never trigger
    processData(sharedData);
}

std::atomic は単なるアトミック性を超え、メモリ アクセスのシーケンスに対する包括的な制御を提供します。と同期により、開発者は堅牢で信頼性の高い同時アプリケーションを作成するためのツールを利用できるようになります。

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