c++ - atomic_flag是如何实现的？

Question

atomic_flag是如何实现的？我觉得在 x86-64 上它无论如何都相当于atomic_bool，但这只是一个猜测。 x86-64 实现可能与arm 或x86 有所不同吗？

Answer 1

是的，在普通 CPU 上 atomic<bool>和atomic<int>也是无锁的，它很像 atomic<bool> ，使用相同的指令。 (x86 和 x86-64 具有相同的可用原子操作集。)

您可能认为它总是使用 x86 lock bts或lock btr设置/重置(清除)单个位，但执行其他操作可能会更有效(特别是对于返回 bool 而不是在其上分支的函数)。该对象是一个完整的字节，因此您可以只存储或交换整个字节。 (如果 ABI 保证该值始终为 0 或 1 ，则在将结果返回为 bool 之前不必对其进行 bool 化)

GCC 和 clang 编译 test_and_set到字节交换，并清除到字节存储 0 . 我们得到了(几乎)相同的 atomic_flag 的汇编。 test_and_set如f.exchange(true);

#include <atomic>

bool TAS(std::atomic_flag &f) {
    return f.test_and_set();
}

bool TAS_bool(std::atomic<bool> &f) {
    return f.exchange(true);
}


void clear(std::atomic_flag &f) {
    //f = 0; // deleted
    f.clear();
}

void clear_relaxed(std::atomic_flag &f) {
    f.clear(std::memory_order_relaxed);
}

void bool_clear(std::atomic<bool> &f) {
    f = false; // deleted
}

On Godbolt适用于带有 gcc 和 clang 的 x86-64，以及适用于 ARMv7 和 AArch64。

## GCC9.2 -O3 for x86-64
TAS(std::atomic_flag&):
        mov     eax, 1
        xchg    al, BYTE PTR [rdi]
        ret
TAS_bool(std::atomic<bool>&):
        mov     eax, 1
        xchg    al, BYTE PTR [rdi]
        test    al, al
        setne   al                      # missed optimization, doesn't need to booleanize to 0/1
        ret
clear(std::atomic_flag&):
        mov     BYTE PTR [rdi], 0
        mfence                          # memory fence to drain store buffer before future loads
        ret
clear_relaxed(std::atomic_flag&):
        mov     BYTE PTR [rdi], 0      # x86 stores are already mo_release, no barrier
        ret
bool_clear(std::atomic<bool>&):
        mov     BYTE PTR [rdi], 0
        mfence
        ret

请注意xchg也是执行 seq_cst 的有效方法存储在 x86-64 上，通常比 mov 更高效+ mfence海湾合作委员会使用的。 Clang 使用xchg对于所有这些(休闲商店除外)。

有趣的是，在 atomic_flag.test_and_set() 中的 xchg 之后 clang 重新 bool 化为 0/1 ，但 GCC 在 atomic<bool> 之后执行此操作。 clang 做了一个奇怪的事情 and al,1在 TAS_bool 中，它将处理类似 2 的值为假。这似乎毫无意义； ABI 保证 bool在内存中始终存储为 0或1字节。

对于 ARM，我们有 ldrexb/strexb交换重试循环，或者只是 strb + dmb ish对于纯粹的商店。或者AArch64可以使用stlrb wzr, [x0]对于 clear或分配 false 来执行顺序释放存储(零寄存器)，而不需要屏障。