版权申明：本文为博主窗户(Colin Cai)原创，欢迎转帖。如要转贴，必须注明原文网址 http://www.cnblogs.com/Colin-Cai/p/7668982.html 作者：窗户 QQ：6679072 E-mail：6679072@qq.com
说到原子，类似于以下的代码可能人人都可以看出猫腻。
/* http://www.cnblogs.com/Colin-Cai */ #include <stdio.h> #include <pthread.h> int cnt = 0; void* mythread(void* arg) { int i; for(i=0;i<500000000;i++) cnt++; return NULL; } int main() { pthread_t id, id2; pthread_create(&id, NULL, mythread, NULL); pthread_create(&id2, NULL, mythread, NULL); pthread_join(id, NULL); pthread_join(id2, NULL); printf("cnt = %d ", cnt); return 0; }
我想大多数人都知道其结果未必会得到1000000000。
测试一下吧。
linux-p94b:/tmp/testhere # gcc test1.c -lpthread linux-p94b:/tmp/testhere # for((i=0;i<10;i++));do ./a.out ; done cnt = 1000000000 cnt = 1000000000 cnt = 1000000000 cnt = 1000000000 cnt = 1000000000 cnt = 1000000000 cnt = 958925625 cnt = 1000000000 cnt = 1000000000 cnt = 1000000000
可是真的知道猫腻了吗？如果我编译的时候优化一下呢？
linux-p94b:/tmp/testhere # gcc -O2 test1.c -lpthread linux-p94b:/tmp/testhere # for((i=0;i<10;i++));do ./a.out ; done cnt = 1000000000 cnt = 1000000000 cnt = 1000000000 cnt = 1000000000 cnt = 1000000000 cnt = 1000000000 cnt = 1000000000 cnt = 1000000000 cnt = 1000000000 cnt = 1000000000
运行速度一下子变的飞快，而且似乎都得到了10亿。
这里，mythread里cnt自加5亿次被优化成了 cnt += 500000000
那么当然快啊，可是似乎这与我们当初想测试原子有那么一些差异，一样的代码，不一样的编译，却带来了不同的结果。
其实原因在于，我们这里代码写的不好，才没有表达好我们当初的意思，我们是希望cnt真的自加5亿次。那么怎么办呢？其实很好办，在cnt的定义前面加个volatile，那么这里对于cnt的自加则不会优化。很多时候，为什么我们优化前和优化后的结果不一样，常常是因为写代码的人不明白程序的优化规则。在上个公司的时候，我很想临走的时候再给大家做一个培训，说说C语言的优化，同时说说我们平时写的无意依赖于编译的所谓垃圾代码，但是直到离开，我还是没有做此培训。
我们加了volatile试一下，
linux-p94b:/tmp/testhere # gcc -O2 test1.c -lpthread linux-p94b:/tmp/testhere # for((i=0;i<10;i++));do ./a.out ; done cnt = 635981117 cnt = 675792826 cnt = 522700646 cnt = 593410055 cnt = 544306380 cnt = 630888304 cnt = 580539893 cnt = 629360072 cnt = 555570127
我们在cnt定义前加个volatile，效果果然就更明显了，因为真的是自加5亿次，导致问题的机会变多了。那么之前没加volatile并优化编译，会不会也有不得到10亿的可能呢？
我们首先要明白的是，这里的cnt++不是原子操作，中间有随时调度的可能。
5亿次太多，我们就拿只自加1次为例即可说明，两个线程都只自加1次，本来期待结果为2.
cnt++在一般的处理器中至少有三条指令，我们用伪汇编来写。
cnt -> reg //把cnt从内存加载到寄存器reg
reg+1 -> reg //寄存器reg自加1
reg -> cnt //把reg的内容写入内存
那么，
(线程1)cnt -> reg
(线程1)reg+1 -> reg
(线程1)reg -> cnt
(线程2)cnt -> reg
(线程2)reg+1 -> reg
(线程2)reg -> cnt
理想中，我们认为处理器的执行是以上这样，结果cnt里的值是2。
但假设过程中发生了调度，指令执行的顺序并非像以上这样，假如变成了以下这样
(线程1)cnt -> reg
(线程1)reg+1 -> reg
(线程2)cnt -> reg
(线程2)reg+1 -> reg
(线程2)reg -> cnt
(线程1)reg -> cnt
我们再来算算，
cnt = 0, reg任意
(线程1)cnt -> reg
cnt = 0, reg = 0
(线程1)reg+1 -> reg
cnt = 0, reg = 1
此处调度，reg = 1会被保存，并在重新调度回来之后有效,而cnt不会管
调度之后
cnt = 0, reg任意
(线程2)cnt -> reg
cnt = 0, reg = 0
(线程2)reg+1 -> reg
cnt = 0, reg = 1
(线程2)reg -> cnt
cnt = 1, reg = 1
此处又发生调度，reg会恢复之前保存的1，而cnt不会有任何变化
所以在执行下一条指令前，
cnt = 1, reg = 1
(线程1)reg -> cnt
cnt = 1, reg = 1
我们可以看到，结果成了1，而不是2，这就是非原子操作导致的结果，其实之前优化成cnt += 500000000本身也依然有此问题，只是难以观察的到。
虽然x++不是原子，但是我们可以使用锁的方式，来人为的制造“原子”，比如这里用互斥。
#include <stdio.h> #include <pthread.h> volatile int cnt = 0; pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; void* mythread(void* arg) { int i; for(i=0;i<500000000;i++) { pthread_mutex_lock(&mutex); cnt++; pthread_mutex_unlock(&mutex); } return NULL; } int main() { pthread_t id, id2; pthread_create(&id, NULL, mythread, NULL); pthread_create(&id2, NULL, mythread, NULL); pthread_join(id, NULL); pthread_join(id2, NULL); printf("cnt = %d ", cnt); return 0; }
测试一下
linux-p94b:/tmp/testhere # gcc -O2 test1.c -lpthread linux-p94b:/tmp/testhere # for((i=0;i<10;i++));do ./a.out ; done cnt = 1000000000 cnt = 1000000000 cnt = 1000000000 cnt = 1000000000 cnt = 1000000000 cnt = 1000000000 cnt = 1000000000 cnt = 1000000000 cnt = 1000000000 cnt = 1000000000