在这三篇文章中，我将详细介绍原理操作，内存障碍和线程之间数据的快速交换，以及“sequence-points”示例中的“execute-around-idiom”。同时，我们将尝试一起做一些有用的事情。
标准C ++库中没有线程安全的容器（数组，列表，映射…），可以在多个线程中使用它们而无需附加锁。在使用标准容器进行多线程交换的情况下，可能会忘记使用互斥锁保护其中一个代码段，或者错误地使用另一个互斥锁来保护它。
显然，如果开发人员使用自己的解决方案而不是标准的解决方案，则会犯更多的错误。而且，如果任务很复杂，以至于没有任何标准解决方案，那么开发人员在尝试寻找解决方案时将充满错误。
依靠“实践大于理论”的原则，我们将努力创造出一个解决这个问题的最佳方法，而不是纸上谈兵。
在本文中，我们将实现使所有对象成为线程安全对象的智能指针，其性能与优化的无锁容器相同。
使用此类指针的简化，非优化示例：
int main() {
contfree_safe_ptr< std::map< std::string, int > > safe_map_string_int;
std::thread t1(& { safe_map_string_int->emplace(“apple”, 1); });
std::thread t2(& { safe_map_string_int->emplace(“potato”, 2); });
t1.join(); t2.join();
std::cout << "apple = " << (*safe_map_string_int)[“apple”] <<
", potato = " << (*safe_map_string_int)[“potato”] << std::endl;
return 0;
}
我们将引用标准的线程，以保证算法每一步的必要行为。
我们将详细考虑C ++内存模型以及线程之间的同步和数据交换的不同版本。
在本文中，我们将开发一个线程安全的指针safe_ptr<>。在第二篇文章中，我们将实现优化的“无争用共享互斥体”和contfree_safe_ptr<>基于其的优化指针。在第三篇文章中，我们将展示最佳利用示例contfree_safe_ptr<>并提供性能测试，并将其与高度优化的无锁容器进行比较。
背景
我们将从开发一个safe_ptr智能指针模板开始，该模板对于任何类型的T都是线程安全的，并且将在优化的无锁算法级别上显示多线程性能。
此外，这将使我们能够同时与几个不同的对象，同步工作，其中甚至对于无锁的数据结构，也将不得不使用锁，并且会出现永久死锁的风险。但是，我们将开发一个特殊的互斥锁类来解决死锁的情况。然后，我们将实现自己的高性能无争用共享互斥体，它比标准速度快得多std::shared_mutex。并且，在此基础上，我们将创建安全指针的优化版本safe_ptr，名为contfree_safe_ptr<>。最后，我们将运行性能测试，同时与无锁库libCDS进行比较。通过的示例，我们将看到接近libCDS（SkipListMap 和BronsonAVLTreeMap）的性能contfree_safe_ptr<std::map<>>。
结果，为了使您的任何类线程安全，
contfree_safe_ptr ptr_thread_safe;
性能几乎与您在之前的类方法中开发无锁算法一样。另外，有可能一次更改多个contfree_safe_ptr <>。除了std :: shared_ptr <>，我们的智能指针还将包含一个引用计数。可以复制它，并在删除最后一个副本后，将自动释放动态分配的内存。
最后，将提供1个safe_ptr.h文件，该文件足以通过#include“ safe_ptr.h”进行连接，以使您可以使用此类。
多线程数据交换的基本原理
如您所知，只有在以下4种情况下，我们才能从不同的线程读取和更改同一对象：
基于锁。该对象受锁保护：自旋锁，std（互斥锁，recursive_mutex，timed_mutex，shared_timed_mutex，shared_mutex …）：http 😕/en.cppreference.com/mwiki/index.php?title=Special%3ASearch&search=mutex
原子的。该对象的类型为std :: atomic ，其中T是指针，布尔型或整数类型（std :: is_integral :: value == true），并且仅当T类型存在原子操作时在CPU级别：http : //en.cppreference.com/w/cpp/atomic/atomic （2 + 1）-（Lock-based-Atomic）否则，如果T类型是平凡可复制的类型，即满足条件std :: is_trivially_copyable :: value == true，然后std :: atomic 用作基于锁的-锁会自动在其中使用。
交易安全。为与对象一起工作而实现的功能可提供线程安全保证transaction_safe（事务内存TS（ISO / IEC TS 19841：2015）-实验性C ++）：http : //en.cppreference.com/w/cpp/ 语言/交易记忆
无锁。用于对象的功能是在无锁算法的基础上实现的，即它们提供了无锁线程安全保证。
如果了解确保线程安全的所有4种方法，则可以跳过本章。
让我们考虑相反的顺序：
（4）无锁算法非常复杂，创建每种复杂算法通常需要数项计算工作。可在容器中使用的无锁算法示例-unordered_map，ordered_map，队列等等…
这些是非常快速且可靠的多线程数据结构
（3）交易安全性计划包含在C ++标准的实验部分中，并且已经在以下位置提供了ISO / IEC TS 19841：2015草案：http : //www.open-std.org/jtc1/sc22 /wg21/docs/papers/2015/N4514.pdf。
但是，即使并非所有STL容器都计划成为交易安全的。例如，甚至没有计划将std :: map容器设置为事务安全的，因为仅将以下功能定义为事务安全的：begin，end，size，max_size，空。但是以下函数未定义为线程安全的：查找，修改，插入。而且，使用事务安全的成员函数来实现自己的对象根本不容易，否则可以使用std :: map来实现。
（2）原子。这种方法已经在C ++ 11中进行了标准化，您可以轻松地使用它。例如，声明变量std :: atomic shared_val，然后在多个线程中传递指向其的链接或指针就足够了，并且通过成员函数和运算符std :: atomic进行的所有调用都是线程安全的： [3] http://coliru.stacked-crooked.com/a/9d0219a5cfaa3cd5。
成员功能，专业成员功能：http : //en.cppreference.com/w/cpp/atomic/atomic
重要的是要理解，如果执行几个原子变量操作（这无关紧要，如果它发生在一个表达式或多个表达式中），则它们之间的另一个线程可以更改该变量的值。因此，对于几个操作的原子执行，我们使用基于CAS函数（Compare-And-Swap）compare_exchange_weak（）的无锁方法-即：我们将原子变量中的值读入局部变量（old_local_val），执行许多必要的操作并将结果写入局部变量（new_local_val），最后，我们通过CAS函数将原子变量的当前值与初始值（old_local_val）进行比较；如果它们不相等，那么我们重新执行循环，如果它们相等，则表示在此期间另一个线程未做任何更改，然后我们用新值（new_local_val）更改了原子变量值。那时，比较和赋值是通过一个操作完成的：compare_exchange_weak（）-它是一个原子函数，在完全执行之前，没有人可以更改变量的值：[4]http://coliru.stacked-crooked.com/a/aa52b45150e5eb0a。
这种带有循环的方法称为乐观锁。悲观锁有：自旋锁，互斥锁…
而且，如果在没有悲观锁的情况下执行了该循环的所有操作，则这种算法称为无锁。更准确地说，这种算法可以保证：无障碍，无锁，无等待或无写入。
通常，原子CAS函数会替换指针，即：分配新的内存，将修改后的对象复制到该内存，并获得指向该内存的指针；在此副本上执行许多操作，最后，如果在这段时间内减肥食谱：www.sheonline.cn 另一个线程未更改旧指针，则CAS函数将旧指针替换为新对象指针。但是，如果指针已被另一个线程更改，则将再次重复所有操作。
所谓的“ABA”一个可能的问题可能会出现在这里-
https://en.wikipedia.org/wiki/ABA_problem
当其他线程有时间两次更改指针，然后指针第二次更改为初始值时，但是在该地址，其他线程已经能够删除该对象并创建一个新对象。也就是说，指针的值已经指示了另一个对象，但是我们看到该值没有改变，并认为该对象尚未被替换。解决此问题的方法有很多，例如：LL / SC，RCU，hazard_pointer，垃圾收集器…
原子是在线程之间交换数据的最快方法。此外，对于所有原子操作，可以使用不太严格和更快的存储保护，这将在后面详细讨论。默认情况下，使用最安全和严格的重新排序障碍：std :: memory_order_seq_cst。但是如上所述，您需要付出很多努力才能通过使用原子变量来实现复杂的逻辑。
来源：CSDN
作者：asade12345
链接：https://blog.csdn.net/asade12345/article/details/103473641