C++ 記憶體管理中的原子操作

原子操作在多執行緒環境下管理共享記憶體至關重要，確保對記憶體的存取是彼此獨立的。 C 標準函式庫提供原子類型，如 std::atomic_int，並提供成員函式如 load() 和 store() 來執行原子運算。這些操作要么全部執行，要么根本不執行，防止因同時存取而造成的資料損壞。實戰案例如無鎖定佇列展示了原子操作的實際應用，使用 fetch_add() 原子地更新佇列的頭部和尾部指針，確保佇列操作的原子性和一致性。

C 記憶體管理中的原子操作

原子操作是在單一原子操作內執行的指令序列，介於系統調度之間。這意味著該操作要么全部執行，要么根本不執行，它不會被中途中斷。這對於在多執行緒環境中管理記憶體至關重要，因為我們可以確保對共享記憶體的存取是彼此獨立的。

C 標準函式庫中的原子型別

C 標準函式庫提供了原子型別的集合，包括：

• ##std ::atomic_int：原子整數
• std::atomic_bool：原子佈林值
• std::atomic_size_t：原子 size_t 類型

原子運算

為了對原子變數執行原子運算，可以使用

std::atomic 類別提供的成員函數：

• load()：載入原子變數的目前值
• store()：將值儲存到原子變數中
• fetch_add()：原子地將值加到原子變數中
• compare_exchange_strong()：比較目前值並僅在匹配時交換

實戰案例：無鎖定佇列

讓我們建立一個無鎖定佇列來示範原子運算的實際應用：

#include <deque>
#include <atomic>

template<typename T>
class ConcurrentQueue {

  private:
    std::deque<T> data;
    std::atomic<size_t> head;
    std::atomic<size_t> tail;

  public:
    ConcurrentQueue() {
        head.store(0);
        tail.store(0);
    }

    void push(T item) {
        data[tail.fetch_add(1)] = item;
    }

    T pop() {
        if (head == tail) {
            return T{};
        }

        return data[head.fetch_add(1)];
    }

    size_t size() {
        return tail - head;
    }
};

這個佇列使用原子操作來確保對佇列的操作是原子和一致的。

push() 方法使用 fetch_add() 來原子增加 tail 並儲存新元素。 pop() 方法使用 fetch_add() 來原子增加 head 並檢索元素。

結論

原子操作在多執行緒程式設計中非常有用，它們可以確保對共享記憶體的並發存取是一致且可預測的。 C 標準函式庫提供了原子類型的集合和相關的操作，使我們能夠輕鬆實現無鎖的資料結構，從而提高並發程式碼的效能和可靠性。

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