锁竞争：互斥锁 、条件变量 、原子变量、信号量、读写锁、自旋锁。 在高性能基础组件优化的时候，为了进一步提高并发性能，可以使用原子变量。 性能：原子变量 > 自旋锁 > 互斥锁 。 操作临界资源的时间较长时使用互斥锁（粒度大） 。 如果只操作单个变量的话，可以使用原子变量（粒度小） 进行优化。 给基础类型或者指针加上一个标记 std::atomic<T> 之后 ，它就是原子变量 ，对这些变量的操作就是原子操作 。原子变量是一种多线程编程中常用的同步机制，它能确保对共享变量的操作在执行时不会被其它线程的操作干扰，从而避免竞态条件。 原子变量具备原子性，也就是要么全部完成，要么全部未完成。 为什么会使用到原子变量 ? 通常某一个变量对应的操作，其 CPU 的指令是大于 1 个指令的，在多线程环境下，可能会引发竞态，在这种线程不安全的情况下，我们需要为这个变量单独设置一个锁安全的标记 std::atomic<T> ，从而实现线程安全 。 多线程环境下，确保对共享变量 的操作在执行时不会被干扰，从而避免竞态条件。 std:: atomic< T>
is_lock_free;
store ( T desired, std:: memory_order order) ;
load ( std:: memory_order order) ;
exchange ( std:: atomic< T> * obj, T desired) ;
compare_exchange_weak ( T& expected, T val, memory_order success, memory_order failure) ;
compare_exchange_strong ( ( T& expected, T val, memory_order success, memory_order failure) ; fetch_add
fetch_sub
fetch_and
fetch_or
fetch_xor
要么都做要么还没做，不会让其它核心看到执行的一个中间状态 。单处理器单核心实现原子性： 只需要保证操作指令不被打断。 屏蔽中断 → 不允许操作指令被打断，不让其它线程看到操作指令的中间状态 。底层硬件自旋锁 → 为了实现线程切换。 多处理器或多核心实现原子性： 除了要保证操作指令不被打断 ，还需要避免其它核心操作相关的内存空间 。 以往的 0x86 lock 指令，锁总线 ，避免所有内存的访问 。 现在的 lock 指令，锁总线 ，只阻止其它核心对相关内存空间的访问，也就是只锁住相关内存空间 。 内存总线：CPU 需要通过内存总线访问内存。 磁盘总线：CPU 需要通过磁盘总线访问磁盘。 存储体系结构
在 CPU 缓存的基础上，CPU 如何读写数据 ? 注意：CPU 缓存中的数据永远比内存中的数据要新 写直达策略 每次写操作既会写到 CPU 缓存中，也会写到内存中，写性能会很低。 写回策略（write-back） （现代 CPU 使用的策略） 尽量避免每次写数据都把数据写到内存中 。写操作 先检查是否命中 CPU 缓存，如果命中了就直接写，并标记为脏数据（CPU 缓存中的数据和内存中的数据不一致） 。 如果没有命中，就需要在 CPU 缓存中找一块区域来存储新数据，也就是定位缓存块 。 如果有可用的缓存块（还没有存储其它数据的缓存块） 就直接使用。 如果没有可用的缓存块了，则采用 LRU 策略去定位缓存块 。 该缓存块存储的数据是脏数据，先把这个缓存块中的数据刷到内存中，然后用这个缓存块去存储新数据，并标记为脏数据 。该缓存块存储的数据不是脏数据，直接将新数据写入到这个缓存块中，并标记为脏数据 。 读操作 先检查是否命中 CPU 缓存，如果命中了就直接返回。 如果没有命中，从内存中读取数据并返回，然后定位缓存块去存储该数据。 如果有可用的缓存块就直接使用。 如果没有可用的缓存块了，则采用 LRU 策略去定位缓存块。 该缓存块存储的数据是脏数据，先把这个缓存块中的数据刷到内存中，然后用这个缓存块去存储刚刚从内存中读取的数据，并标记为非脏数据 。该缓存块存储的数据不是脏数据，直接将刚刚从内存中读取的数据写入到这个缓存块中，并标记为非脏数据 。 为什么会有缓存一致性问题 ? CPU 是多核心的。 基于写回策略将会出现缓存不一致的问题。 数据在核心 0 的 CPU 缓存中，但是还没写到内存中；核心 2 的 CPU 缓存中没有该数据，于是会从内存中读取该数据，但是核心 2 从内存中读到的数据与核心 0 的 CPU 缓存中的数据不一致。 如何解决缓存不一致的问题 ? 写传播：总线嗅探（bus snooping） 监听发布者模式：每一个核心都会监听总线上的写事件，当某个核心写数据的时候，会基于总线进行广播，其它的核心读到了这个事件之后，会自动修改自己的数据。 事务的串行化：锁 + lock 指令 。 多个核心对同一个缓存块进行读写操作的时候，必须要串行执行，否则会带来不确定性。 core0 写 i = 10，锁总线，必须等 i = 10 写操作结束后，core1 才能写 i = 20，这样 core2 读到的 i 就一定等于 20。
优化：尽量减小写传播给总线带来的带宽压力 。 两个策略： 写传播：如何减少无效的监听，减小总线带宽的压力。 串行化机制：如何锁总线。 MESI 一致性协议 基于总线嗅探机制实现了事务串行化，通过状态机降低总线带宽的压力 。4 个状态 Modified：已修改，某个数据块已修改但是没有同步到内存中。 Exclusive：独占，某个数据块只在某核心的缓存中，并且此时缓存和内存中的数据是一致的。 Shared：共享，某个数据块在多个核心的缓存中，并且此时缓存和内存中的数据是一致的。 Invalidated：已失效，某个数据块在核心中已失效，不是最新的数据。 core0 中的数据：i = 5，core1 中的数据：i = 5，内存中的数据：i = 5；当 core0 写 i = 10 时，会通过总线嗅探，将 core1 中的数据 i = 5 的状态修改为 Invalidated。 锁住 M 和 E 状态（因为 M 和 E 状态是不需要广播的），避免相关内存的访问 。原子性还没有解决避免竞态条件的问题 。为什么会有内存序问题 内存序规定了什么 规定了多个线程访问同一个内存地址时的语义 。 同步性 ：某个线程对内存地址的更新何时能被其它线程看见 。顺序性 ：某个线程对内存地址访问附近可以做怎么样的优化 。 内存模型 这里所指的内存模型对应缓存一致性模型，作用是对同一时间的读写操作进行排序，在不同的 CPU 架构上，这些模型的具体实现方式可能不同，但是 C++ 11 屏蔽了内部细节，不用考虑内存屏障。可能有时使用的模型粒度比较大，会损耗性能，当然还是使用各平台底层的内存屏障粒度更准确，效率也会更高。 memory_order_relaxed：松散内存序。 只用来保证对原子对象的操作是原子的，在不需要保证顺序时使用。 读操作和写操作都可以使用。 效率最高。
s. load ( std:: memory_order_relaxed) ;
memory_order_release：释放操作。 在写入某原子对象时，当前线程的任何前面的读写操作都不允许重排到这个操作的后面去 ，并且保证其它线程可以读取到该原子对象的最新值 。 通常与 memory_order_acquire 配对使用。 只能在写操作中使用。 依据前面的才写入 。
s. store ( 10 , std:: memory_order_release) ;
memory_order_acquire：获取操作。 在读取某原子对象时，当前线程的任何后面的读写操作都不允许重排到这个操作的前面去 ，并且保证当前线程可以读取到该原子对象的最新值 。 只能在读操作中使用。 后面的依据读取的 。
s. load ( std:: memory_order_acquire) ;
memory_order_acq_rel：获得释放操作。 一个读 — 修改 — 写 操作，同时具有获得语义和释放语义，即它前后的任何读写操作都不允许重排，并且保证其它线程可以读取到该原子对象的最新值、当前线程可以读取到该原子对象的最新值。 memory_order_seq_cst：顺序一致性语义。 对于读操作相当于获得，对于写操作相当于释放，对于读 — 修改 — 写操作相当于获得释放。 是所有原子操作的默认内存序 ，并且会对所有使用此模型的原子操作建立一个全局顺序 ，保证了多个原子变量 的操作在所有线程里观察到的操作顺序相同。效率最低。 # include <atomic> # include <thread> # include <assert.h> # include <iostream> :: atomic< bool > x, y;
std:: atomic< int > z; void write_x_then_y ( )
{ x. store ( true , std:: memory_order_relaxed) ; y. store ( true , std:: memory_order_relaxed) ;
} void read_y_then_x ( )
{ while ( ! y. load ( std:: memory_order_relaxed) ) ; if ( x. load ( std:: memory_order_relaxed) ) ++ z;
}
int main ( )
{ for ( int i = 0 ; i < 100000 ; i++ ) { x = false ; y = false ; z = 0 ; std:: thread b ( read_y_then_x) ; std:: thread a ( write_x_then_y) ; b. join ( ) ; a. join ( ) ; int v = z. load ( std:: memory_order_relaxed) ; if ( v != 1 ) std:: cout << v << std:: endl; } return 0 ;
}
# include <atomic> # include <thread> # include <assert.h> # include <iostream> :: atomic< bool > x, y;
std:: atomic< int > z; void write_x_then_y ( )
{ x. store ( true , std:: memory_order_relaxed) ; y. store ( true , std:: memory_order_release) ;
} void read_y_then_x ( )
{ while ( ! y. load ( std:: memory_order_acquire) ) ; if ( x. load ( std:: memory_order_relaxed) ) ++ z;
}
int main ( )
{ x = false ; y = false ; z = 0 ; std:: thread a ( write_x_then_y) ; std:: thread b ( read_y_then_x) ; a. join ( ) ; b. join ( ) ; std:: cout << z. load ( std:: memory_order_relaxed) << std:: endl; return 0 ;
}
如何实现互斥锁： 互斥锁首先需要做一个内存标记 ，记录的是线程 ID ，因为互斥锁需要进行线程切换。 互斥锁是为了保护临界资源，同时只允许一个线程去访问临界资源，所以会有一个阻塞队列，通过阻塞队列唤醒其它线程去访问临界资源。 要屏蔽中断。 底层硬件自旋锁。 互斥锁的表现： 先在用户态自旋一会儿。 获取失败，把任务挂起（放到阻塞队列中），核心会切换其它线程去执行。 休眠一段时间再次尝试获取锁。 
