C++11多线程编程(四)——原子操作

今天和大家说说C++多线程中的原子操作。首先为什么会有原子操作呢？这纯粹就是C++这门语言的特性所决定的，C++这门语言是为性能而生的，它对性能的追求是没有极限的，它总是想尽一切办法提高性能。互斥锁是可以实现数据的同步，但同时是以牺牲性能为代价的。口说无凭，我们做个实验就知道了。

我们将一个数加一再减一，循环一定的次数，开启20个线程来观察，这个正确的结果应该是等于0的。

首先是不加任何互斥锁同步

#include <iostream>
#include <thread>
#include <atomic>
#include <time.h>
#include <mutex>
using namespace std;

#define MAX 100000
#define THREAD_COUNT 20
int total = 0;
void thread_task()
{
    for (int i = 0; i < MAX; i++)
    {
        total += 1;
        total -= 1;
    }
}

int main()
{
    clock_t start = clock();
    thread t[THREAD_COUNT];
    for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; ++i)
    {
        t[i] = thread(thread_task);
    }
    for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; ++i)
    {
        t[i].join();
    }
    
    clock_t finish = clock();
    cout << "result:" << total << endl;
    cout << "duration:" << finish - start << "ms" << endl;
    return 0;
}

以上程序运行时相关快的，但是结果却是不正确的。

那么我们将线程加上互斥锁mutex再来看看。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <atomic>
#include <time.h>
#include <mutex>
using namespace std;

#define MAX 100000
#define THREAD_COUNT 20

int total = 0;
mutex mt;

void thread_task()
{
    for (int i = 0; i < MAX; i++)
    {
        mt.lock();
        total += 1;
        total -= 1;
        mt.unlock();
    }
}

int main()
{
    clock_t start = clock();
    thread t[THREAD_COUNT];
    for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; ++i)
    {
        t[i] = thread(thread_task);
    }
    for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; ++i)
    {
        t[i].join();
    }
    
    clock_t finish = clock();
    // 输出结果
    cout << "result:" << total << endl;
    cout << "duration:" << finish - start << "ms" << endl;

    return 0;
}

我们可以看到运行结果是正确的，但是时间比原来慢太多了。虽然很无奈，但这也是没有办法的，因为只有在保证准确的前提才能去追求性能。

那有没有什么办法在保证准确的同时，又能提高性能呢？

原子操作就横空出世了！

定义原子操作的时候必须引入头文件

#include <atomic>

那么如何利用原子操作提交计算的性能呢？实际上很简单的。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <atomic>
#include <time.h>
#include <mutex>
using namespace std;

#define MAX 100000
#define THREAD_COUNT 20

//原子操作
atomic_int total(0);

void thread_task()
{
    for (int i = 0; i < MAX; i++)
    {
        total += 1;
        total -= 1;
    }
}

int main()
{
    clock_t start = clock();
    thread t[THREAD_COUNT];
    for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; ++i)
    {
        t[i] = thread(thread_task);
    }
    for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; ++i)
    {
        t[i].join();
    }
    
    clock_t finish = clock();
    // 输出结果
    cout << "result:" << total << endl;
    cout << "duration:" << finish - start << "ms" << endl;

    return 0;
}

可以看到，我们在这里只需要定义atomic_int total(0)就可以实现原子操作了，就不需要互斥锁了。而性能的提升也是非常明显的，这就是原子操作的魅力所在。

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