Qt原子操作 QAtomicInteger

文章来源：https://blog.addai.cn/pages/1eec76/

背景

很久很久很久以前，CPU忠厚老实，一条一条指令的执行我们给它的程序，规规矩矩的进行计算和内存的存取。

很久很久以前， CPU学会了Out-Of-Order，CPU有了Cache，但一切都工作的很好，就像很久很久很久以前一样，而且工作效率得到了很大的提高。

很久以前，我们需要多个CPU一起工作，于是出现了传说中的SMP系统，每个CPU都有独立的Cache，都会乱序执行，会打乱内存存取顺序，于是事情变得复杂了……

#问题

由于每个CPU都有自己的Cache，内存读写不再一定需要真的作内存访问，而是直接从Cache里面操作，同时CPU可能会在合适的时候对于内存访问进行重新排序以提高效率，在只有一个CPU的时候，这很完美。

而当有多个CPU的时候：从Cache到内存的flush操作通常是被延迟的，所以就需要某种方法保证CPU A进行的内存写操作真的可以被CPU B读取到。

CPU可能会因为某些原因（比如某两个变量同在一个Cacheline中）而打乱

1. 实际内存写入顺序

2. 实际内存读取顺序

所以就需要某种方法保证在需要的时候

1. 之前的读写操作已经完成

2. 未来的读写操作还没开始

考虑一个例子：

Thread A:

while (flag == 0)
        ; // do nothing
printf("%d\n", data);

Thread B:

data = 523;
flag = 1;

这里data代表了某种数据，它可以像这里一样是一个简单的整数，也可能是某种复杂的数据结构

总之：我们在Thread B中对 data 进行了写入，并利用 flag 变量表示 data 已经准备好了。 在Thread A中，一个忙等待直到发现 data 已经准备好了，然后开始使用 data ，这里是简单的把 data 打印出来。 现在考虑如果CPU发现对于 data 和 flag 的写入，如果按照先写入 flag 后写入 data 的方式进行，或者考虑由于Cache的 flush 操作的延迟，使得内存中变量的实际修改顺序是先 flag 后 data ，那么都将导致Thread A的结果不正确。事实上，由于内存读入操作同样是可能乱序进行的，Thread A甚至可能在读入 flag 进行判断之前就已经完成了对 data 的读入操作，这同样导致错误的结果。

#解决方案

在这个例子中，我们的需求是，Thread A中对于 flag 判断时，后面的任何读入操作都没有开始，Thread B中对于 flag 写入时，任何之前的写入操作都已经完成。

在Linux内核中，smp_rmb()、smp_wmb()、smp_mb()就是用来解决这类问题

mb表示memory barrier rmb表示读操作不可跨越（注意，不是人民币的意思:-P），也就是我们这个例子中的Thread A所需要的 wmb表示写操作不可跨越，也就是这里Thread B所需要的 mb集合了rmb和wmb的能力，读写操作都不可跨越

在Qt中，其支持原子操作的类QAtomicInt支持四种类型的操作， Relaxed 、Acquired 、 Release 、 Ordered

其中:

Relaxed 最为简单，就是不做特殊要求，由编译器和处理器对读写进行合适的排序

Acquired 表示原子操作之后的内存操作不可被重排至原子操作之前

Release 表示原子操作之前的内存操作不可被重排至原子操作之后

Ordered 表示 Acquired + Release

在前面的例子中：

Thread A对于 flag 的读取操作需要 Acquired Thread B对于 flag 的写入操作需要 Release

在实际实现中，不同体系结构的实现方法各不相同，很多RISC机器提供了专门的指令用于实现mb，而在x86上面，通常使用lock指令前缀加上一个空操作来实现，注意当然不能真的是nop指令，但是可以用来实现空操作的指令其实是很多的，比如Linux中采用的addl $0, 0(%esp)。

Qt的不同类型原子操作由于本身就需要进行某种可被lock前缀修饰的操作，所以就不需要画蛇添足的再写一条空操作了，比如 testAndSetOrdered 就可以直接使用lock cmpxchgl 实现。

• 上一篇： 基于机器视觉的PCB板上圆Mark点定位方法的研究
• 下一篇： Apple苹果小辫子图片是辱华吗？