读书笔记《C++并发编程实战》(5) - 内存模型与原子类型操作

内存模型：
    C++内存位置布局，参见struct结构体/class类成员/全局、静态变量在内存中的布局。
    多个线程修改某位置的值，应按照某个顺序修改或者读取，否则可能出现数据竞争或未定义行为。

原子操作：
    类似于事务操作，对对象值的修改或者读取都是原子的，不会出现修改部分或读取到失效值的情况。
    标准原子类型std::atomic<>模板类型，提供了多个内置类型的特化版本的类型，如atomic_bool，atomic_int,atomic_size_t等,此外还支持用户
    自定义类型的原子变种，原子类型操作部分接口提供了多种可选的内存序的参数，默认使用的是memory_order_seq_cst；
    
    std::atomic_flag基本的原子类型，仅代表布尔标识，有两种状态：设置test_and_set、清除clear；此外初始化需要通过ATOMIC_FLAG_INIT初始化该
    原子类型实例。可以实现自旋锁，但因其限制性，一般情况下不会去使用该类型，而是使用std::atomic<bool>类型(std::atomic_bool)。
    
    std::atomic<bool>：提供写操作store、读修改写操作exchange、查询(载入)操作load或隐式转为bool类型,此外还有compare_exchange_strong,
    compare_exchange_weak比较判断交换函数。
    std::atomic<T*>提供和std::atomic<bool>类似的接口外，还支持fetch_add、fetch_sub、++/--操作。
    
    其他内置原子类型如atomic_int，可能有额外的操作接口，如fetch_add、fetch_sub、fetch_and、fetch_xor等复合赋值、前/后缀自增/减等。
    
    用户自定义类型的原子类型：需满足按位赋值、按位比较的特性，也即自定义类型必须是trivial的，没有虚函数或包含虚函数的成员。
    (std::atomic<float/double>不建议使用、类似std::atomic<std::vector<int>>的也不能使用)。
    
    其他的原子操作的自由函数：形如:std::atomic_load、std::atomic_is_lock_free、std::atomic_compare_exchange_weak、
    std::atomic_flag_clear_explicit等。
    
    原子操作不仅避免数据竞争，还会强制线程间的操作顺序。
    
原子操作内存顺序(std::memory_order)：
    编译器优化、cpu指令流水线可能会产生指令乱序，以优化执行效率；
    C++中提供三种模型：顺序一致顺序、获得-释放顺序、松散顺序，表现为6种内存顺序，不同内存顺序在不同的CPU架构上有着可能不同的成本，如；
    memory_order_relaxed，memory_order_consume，memory_order_acquire，memory_order_release，memory_order_acq_rel，memory_order_seq_cs。
    
    顺序一致顺序：
        默认的顺序memory_order_seq_cs，作为最直观的排序，程序的行为与单个线程顺序执行的顺序一致的，当某个线程在另一个线程操作之前，则
        其顺序必须对其他线程可见，此外要求线程间的全局同步，在某些多处理器的系统中需要处理器间的密集和耗时的通信，有一定的同步成本。
    
    memory_order_relaxed：
        单个线程的原子操作还是按照happens-before关系，但不同线程间的执行关系是任意的。要求同一个线程对单个原子的访问不能被重排，一旦
        给定的线程已看到院子办理的的定制，该线程之后的读取就不能获取该变量更早的值。在没有额外的同步情况下，每个变量的修改顺序是使用
        memory_order_relaxed。
    
    内存屏障：std::atomic_thread_fence,作为全局操作，能在执行该屏障的线程里影响其他原子操作的顺序，以限制被编译器或者硬件重新排序。