原子的正确用法

Correct usage of atomics

本文关键字：用法 原子的      更新时间：2023-10-16

我已经编写了一个基于向量的小型轻量级推送/弹出队列(认为它应该很快)，如下所示：

template <typename T> class MyVectorQueue{
public:
MyVectorQueue (size_t sz):my_queue(sz),start(0),end(0){}
void push(const T& val){
size_t idx=atomic_fetch_add(&end,1UL);
if (idx==my_queue.size())
throw std::runtime_error("Limit reached, initialize to larger vector");
my_queue[idx]=val;
}
const T& pop(){
if (start==end) 
return end__;
return my_queue[start.fetch_add(1UL)];
}
size_t empty()
{
return end==start;
}
const T& end() {
return end__;
}
private:
T end__;
std::atomic<size_t> start,end;
std::vector<T> my_queue;    
};

矢量的大小应该是已知的，并且我想知道为什么它不安全？在什么情况下，这会扰乱我的结构？

您的start和end是原子变量，但使用std::vector::operator[]不是原子操作，因此它不是线程安全的。

假设您有10个线程，vector的大小是5。现在，假设它们都在执行，比如push。

现在假设所有10个线程可能都通过了检查，并且if (end==my_queue.size())被评估为false，因为end没有达到限制，这意味着vector没有满。

然后，它们可能都递增end，同时调用std::vector::operator[]。至少有5个线程将尝试访问向量"外部"的元素。

您使用operator[]来推送项目，但这不会为了添加项目而增加向量。因此，当试图将一个项添加到不存在的索引时，您将得到未定义的行为(可能还有访问冲突)。

此外，尽管您在start和end上使用原子操作，但vector不是原子操作。因此，例如，您可以让多个线程调用push，它们原子性地更改end，然后所有线程都调用operator[]，这不是线程安全的。相反，您应该考虑使用互斥锁和std:：deque:

std::mutex mutex;
std::deque<T> my_queue;
void push(const T& val){
std::lock_guard<std::mutex> guard(mutex);
//..code to check if full 
my_queue.push_back(val);
}
const T& pop(){
std::lock_guard<std::mutex> guard(mutex);
//code to check if empty and that start index does not pass end index
T item=my_queue.front();
my_queue.pop_front();
return item;
}

尽管乍一看，这段代码在许多帐户上看起来都是错误的，但实际上它只包含一个问题。否则，在其限制范围内，它是完全好的。

您正在创建一个初始化为某个特定大小的vector，并且不允许推送超过该给定大小的元素。这有点"奇怪的行为"，但如果这是所希望的，那么就没有问题了。

调用vector::operator[]对于线程安全来说看起来非常麻烦，因为它不是一个原子操作，但它本身并不是一个问题。vector::operator[]所做的只是返回对与您提供的索引相对应的元素的引用。它不做任何边界检查或重新分配，也不做任何其他复杂的事情，可能会在并发的情况下破坏这些事情(很可能，它可以归结为一条LEA指令)
在任何情况下都使用fetch_add，这是确保索引在线程之间唯一的正确心态。如果索引是唯一的，那么就不会有两个线程访问同一个元素，因为这种访问是否是原子访问并不重要。即使几个线程同时原子地递增一个计数器，它们也会得到不同的结果(即，不会"丢失"任何增量)。至少这是理论，就push而言也是如此。

真正的问题在于pop函数，其中(除了push之外)在比较局部变量和调用operator[]之前，您没有将索引(或者更正确地说，两个索引)原子化地fetch_add到局部变量中
这是一个问题，因为if(start==end)本身不是原子的，并且在几行之后调用operator[]时也不是原子的。您必须获取两个值才能在一个原子操作中进行比较，否则您无法断言比较在任何方面都是有意义的。否则：

  • 当您比较start或end(或两者)时，另一个线程(或另外两个或三个线程)可以递增它们，您对是否已达到最大容量的检查将失败
  • 在检查之后，另一个线程可能会增加start，但在看到operator[]调用中的fetch_add之前，这会导致索引越界并调用未定义的行为

这里需要注意的是，尽管使用原子操作做了"正确的事情"，但程序仍然不会正确运行，因为不仅仅单个操作需要是原子操作。

相关文章：