C++ std:：atomic是如何实现的

我正在研究C++11中的

mutex

和

atomic

之间的区别

据我所知，

mutex

是一种锁机制，它是基于OS/内核实现的。例如，Linux提供了一种机制，即

futex

。借助于

futex

，我们可以实现

mutex

和

semaphore

。此外，我知道

futex

是通过低级原子操作实现的，例如

CompareAndSet

，

CompareAndSwap

对于

std:：atomic

，我知道它是基于C++11引入的内存模型实现的。然而，我不知道如何在低级别实现内存模型。如果它也是通过原子操作实现的，比如

CompareAndSet

，那么

std:：atomic

和

互斥体之间有什么区别

总之，如果
std:：atomic:：is_lock_free
给我一个
false
，那么，我要说
std:：atomic
与
互斥体相同。但如果它给了我一个
true
，那么它是如何在低级别实现的呢

std:：atomic
和互斥锁之间有什么区别

互斥锁是一种并发构造，独立于任何用户数据，提供
lock
和
unlock
方法，允许您保护（强制互斥）代码区域。你可以在那个地区放任何你想要的东西

std:：atomic
是T类型的单个实例上的适配器，允许基于每个操作对该对象进行原子访问

互斥体更一般，因为
std:：atomic
的一个可能实现是用互斥体保护对底层对象的所有访问

std:：atomic
的存在主要是因为另一种常见的实现：使用原子指令2直接执行操作，而不需要互斥。这是当
std:：atomic:：is\u lock\u free（）
返回true时使用的实现。这通常比互斥方法更有效，但仅适用于小到足以由原子指令“一次性”操纵的对象


2在某些情况下，编译器能够使用普通指令（而不是与并发相关的特殊指令），例如正常加载和存储，如果它们在所讨论的平台上提供所需的保证

例如，在x86上，所有
std:：atomic
都会加载，以便使用普通加载获得足够小的值，并使用普通存储实现比
memory\u order\u seq\u cst
弱的所有存储
seq_cst
存储是通过特殊指令实现的，但是-10.1之前的GCC上的
mov
后面的
mfence
，以及clang、最近的GCC和其他编译器上的（隐式
lock
）
xchg mem、reg

还要注意的是，加载和存储之间的不对称是编译器的选择：它们可以将特殊处理放在
seq_cst
加载上，但因为加载的数量通常超过存储，所以在大多数情况下，加载速度较慢。（而且因为快速路径中的廉价加载更有价值。）
如果原子操作是无锁的，则它们的实现方式可能与互斥体组件的实现方式相同。毕竟，要锁定互斥体，您确实需要某种原子操作来确保只有一个线程锁定互斥体

区别在于，无锁的原子操作没有“锁定”状态。让我们比较两种可能的方法来实现变量的原子增量：

首先，互斥方式。我们锁定互斥锁，读写变量，然后解锁互斥锁。如果线程在读增量写过程中被中断，那么尝试执行相同操作的其他线程将阻止锁定互斥锁的尝试。（有关如何在一些实际实现中工作的信息，请参见，对象太大而无法无锁。）

第二，原子方式。CPU“锁定”的只是缓存线，缓存线中包含我们要修改的变量，持续时间为单个读增量写指令。（这意味着CPU延迟响应MESI请求以使缓存线无效或共享缓存线，从而保持独占访问，因此其他CPU无法查看缓存线。MESI缓存一致性始终要求在核心修改缓存线之前独占缓存线的所有权，因此，如果我们已经拥有缓存线，这是便宜的）。我们不可能在指令中被打断。另一个试图访问此变量的线程，最坏的情况是，必须等待缓存一致性硬件确定谁可以修改内存位置

那么我们如何锁定互斥锁呢？我们可能会执行原子比较和交换。因此，轻原子操作是组装重互斥操作的原语

当然，这些都是特定于平台的。但这正是您可能会使用的典型的现代平台所做的。
解释了x86 asm/硬件如何实现原子操作，特别是RMW操作，以及指向更多内容的链接。原子操作是构建互斥体的基础。此外，还有一些涉及到其他ISA，其中硬件原语不是直接支持原子add/sub/CA，但大部分是关于x86的。可能还有其他一些现有的SO答案更普遍地涵盖了其他ISA。它是基于C++11引入的内存模型实现的。-不完全是。编译器必须在硬件内存模型之上实现C++11内存模型语义，而硬件内存模型在C++11之前就已经存在；SMP系统的操作系统和手写asm互斥体需要了解底层内存模型。它们在每个ISA的基础上是不同的。请参阅相关：讨论一些不同的硬件内存模型，在这些模型中，您需要或多或少的障碍来实现acq_rel。杰夫·普雷辛的另一篇文章