原子操作，线程间交互数据最细粒度的同步操作，它可以保证线程间读写某个数值的原子性。
由于不需要加重量级的互斥锁进行同步，因此非常轻量，而且也不需要在内核间来回切换调度，效率是非常高的。。
那如何使用原子操作了，各个平台下都有相关api提供了支持，并且向gcc、clang这些编译器，也提供了编译器级的__builtin接口进行支持
- windows的Interlockedxxx和Interlockedxxx64系列api
- macosx的OSAtomicXXX系列api
- gcc的
__sync_val_compare_and_swap和__sync_val_compare_and_swap_8等__builtin接口 - x86和x86_64架构的
lock汇编指令 - tbox的跨平台原子接口
tbox接口使用
先拿tbox的tb_atomic_fetch_and_add接口为例，顾名思义，这个api会先读取原有数值，然后在其基础上加上一个数值：
// 相当于原子进行：b = *a++;
tb_atomic_t a = 0;
tb_long_t b = tb_atomic_fetch_and_add(&a, 1);
如果需要先进行add计算，再返回结果可以用：
// 相当于原子进行：b = ++*a;
tb_atomic_t a = 0;
tb_long_t b = tb_atomic_add_and_fetch(&a, 1);
或者可以更加简化为：
tb_long_t b = tb_atomic_fetch_and_inc(&a);
tb_long_t b = tb_atomic_inc_and_fetch(&a);
那tbox在内部如何去适配各个平台的呢，我们可以简单看下，基本上就是对原生api进行了一层wrap而已。
windows接口封装
static __tb_inline__ tb_long_t tb_atomic_fetch_and_add_windows(tb_atomic_t* a, tb_long_t v)
{
return (tb_long_t)InterlockedExchangeAdd((LONG __tb_volatile__*)a, v);
}
static __tb_inline__ tb_long_t tb_atomic_inc_and_fetch_windows(tb_atomic_t* a)
{
return (tb_long_t)InterlockedIncrement((LONG __tb_volatile__*)a);
}
gcc接口的封装
static __tb_inline__ tb_long_t tb_atomic_fetch_and_add_sync(tb_atomic_t* a, tb_long_t v)
{
return __sync_fetch_and_add(a, v);
}
x86和x86_64架构汇编实现
static __tb_inline__ tb_long_t tb_atomic_fetch_and_add_x86(tb_atomic_t* a, tb_long_t v)
{
/*
* xaddl v, [a]:
*
* o = [a]
* [a] += v;
* v = o;
*
* cf, ef, of, sf, zf, pf... maybe changed
*/
__tb_asm__ __tb_volatile__
(
#if TB_CPU_BITSIZE == 64
"lock xaddq %0, %1 \n" //!< xaddq v, [a]
#else
"lock xaddl %0, %1 \n" //!< xaddl v, [a]
#endif
: "+r" (v)
: "m" (*a)
: "cc", "memory"
);
return v;
}
原子操作除了可以进行对int32和int64数值加减乘除外，还可以进行xor, or, and等逻辑计算，用法类似，这里就不多说了。
下面我们再来个简单的实例，来实际运用下，原子的应用场景还是蛮多的，比如：
- 用于实现自旋锁
- 用于实现无锁队列
- 线程间的状态同步
- 用于实现单例
等等。。
自旋锁的实现
我们先来看下如何去实现一个简单的自旋锁，为了统一规范演示代码，下面的代码都用tbox提供的原子接口为例：
static __tb_inline_force__ tb_bool_t tb_spinlock_init(tb_spinlock_ref_t lock)
{
// init
*lock = 0;
// ok
return tb_true;
}
static __tb_inline_force__ tb_void_t tb_spinlock_exit(tb_spinlock_ref_t lock)
{
// exit
*lock = 0;
}
static __tb_inline_force__ tb_void_t tb_spinlock_enter(tb_spinlock_ref_t lock)
{
/* 尝试读取lock的状态值，如果还没获取到lock（状态0），则获取它（设置为1）
* 如果对方线程已经获取到lock（状态1），那么循环等待尝试重新获取
*
* 注：整个状态读取和设置，是原子的，无法被打断
*/
tb_size_t tryn = 5;
while (tb_atomic_fetch_and_pset((tb_atomic_t*)lock, 0, 1))
{
// 没获取到lock，尝试5次后，还不成功，则让出cpu切到其他线程运行，之后重新尝试获取
if (!tryn--)
{
// yield
tb_sched_yield();
// reset tryn
tryn = 5;
}
}
}
static __tb_inline_force__ tb_void_t tb_spinlock_leave(tb_spinlock_ref_t lock)
{
// 释放lock，此处无需原子，设置到一半被打断，数值部位0，对方线程还是在等待中，不收影响
*((tb_atomic_t*)lock) = 0;
}
这个实现非常简单，但是tbox里面，基本上默认都是在使用这个spinlock，因为tbox里面大部分多线程实现，粒度都被拆的很细
大部分情况下，用自旋锁就ok了，无需进入内核态切换等待。。
使用方式如下：
// 获取lock
tb_spinlock_enter(&lock);
// 一些同步操作
// ..
// 释放lock
tb_spinlock_leave(&lock);
上面的代码中，省略了init和exit操作，实际使用时，在响应初始化和释放的地方，做相应处理下就行了。。
类pthread_once的实现
pthread_once 可以在多线程函数内，可以保证传入的函数只被调用到一次，一般可以用来初始化全局单例或者TLS的key初始化
以tbox的接口为例，我先来来看下，这个函数的使用方式：
// 初始化函数，只会被调用到一次
static tb_void_t tb_once_func(tb_cpointer_t priv)
{
// 初始化一些单例对象，全局变量
// 或者执行一些初始化调用
}
// 线程函数
static tb_int_t tb_thread_func(tb_cpointer_t priv)
{
// 全局存储lock，并初始化为0
static tb_atomic_t lock = 0;
if (tb_thread_once(&lock, tb_once_func, "user data"))
{
// ok
}
}
我们这里拿原子操作，可以简单模拟实现下这个函数：
tb_bool_t tb_thread_once(tb_atomic_t* lock, tb_bool_t (*func)(tb_cpointer_t), tb_cpointer_t priv)
{
// check
tb_check_return_val(lock && func, tb_false);
/* 原子获取lock的状态
*
* 0: func还没有被调用
* 1: 已经获取到lock，func正在被其他线程调用中
* 2: func已经被调用完成，并且func返回ok
* -2: func已经被调用，并且func返回失败failed
*/
tb_atomic_t called = tb_atomic_fetch_and_pset(lock, 0, 1);
// func已经被其他线程调用过了？直接返回
if (called && called != 1)
{
return called == 2;
}
// func还没有被调用过？那么调用它
else if (!called)
{
// 调用函数
tb_bool_t ok = func(priv);
// 设置返回状态
tb_atomic_set(lock, ok? 2 : -1);
// ok?
return ok;
}
// 正在被其他线程获取到lock，func正在被调用中，还没完成？尝试等待lock
else
{
// 此处简单的做了些sleep循环等待，直到对方线程func执行完成
tb_size_t tryn = 50;
while ((1 == tb_atomic_get(lock)) && tryn--)
{
// wait some time
tb_msleep(100);
}
}
/* 重新获取lock的状态，判断是否成功
*
* 成功：2
* 超时：1
* 失败：-2
*
* 此处只要不是2，都算失败
*/
return tb_atomic_get(lock) == 2;
}
64位原子操作
64位操作跟32位的接口使用方式，是完全一样的，仅仅只是变量类型的区别：
- tbox中类型为
tb_atomic64_t，接口改为tb_atomic64_xxxx - gcc中类型为
volatile long long，接口改为__sync_xxxx_8系列 - windows上则为Interlockedxxx64
具体使用方式参考32位，这里就不详细介绍了。。
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原文出处：http://tboox.org/cn/2016/09/30/atomic-operation/
