複雜資料結構的原子變數真的使用鎖嗎？

原子變數和鎖定

在多執行緒程式設計領域，原子變數在確保資料操作的一致性方面發揮著至關重要的作用。然而，當涉及像 foo 這樣具有多個元素的複雜資料結構時，就會出現關於原子變數中是否存在鎖定的擔憂。

原子變數和鎖的難題

儘管假設較大的原子類型需要鎖，但觀察結果表明並非如此。下面的程式碼片段示範了這個現象：

#include <iostream>
#include <atomic>

struct foo {
    double a;
    double b;
};

std::atomic<foo> var;

int main()
{
    std::cout << var.is_lock_free() << std::endl;
    std::cout << sizeof(foo) << std::endl;
    std::cout << sizeof(var) << std::endl;
}

這段程式碼的輸出是：

0
16
16

如你所見，is_lock_free()方法為原子變數var回傳0 ，但它的大小仍然與其底層資料結構foo 的大小相同。這就引發了一些問題：鎖儲存在哪裡，它如何影響原子變數的多個實例？

揭開鎖定機制

的常見實作原子變數中的鎖涉及互斥體的雜湊表。原子物件的位址充當密鑰，將其分配給唯一的鎖。此雜湊函數可確保多個原子變數映射到不同的鎖，從而有效地隔離它們的存取操作。

潛在影響和效能注意事項

雜湊表內的衝突可能會導致多個原子物件共用相同鎖定。雖然這不會影響正確性，但可能會造成效能瓶頸。多個執行緒可能會競爭對共享鎖的訪問，而不是不同物件之間的獨立爭用。

不存在死鎖

需要注意的是，死鎖在以下情況下是不可能的：這是因為std::atomic 操作從不嘗試同時取得多個物件上的鎖。這種設計確保額外的爭用不會影響正確性，但可能會影響性能。

結論

原子變數對複雜的資料結構採用鎖定機制來維護資料完整性。這些鎖通常被實作為互斥體的雜湊表，以原子變數的位址作為鍵。雖然共享鎖可能會導致效能問題，但透過 std::atomic 函數的設計可以防止死鎖。

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