GCC数值原子操作API原理及应用

2018-01-30 10:45:24来源:oschina作者:老汉-憨憨人点击

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一.前言

C/C++中数值操作,如自加(n++)自减(n–-)及赋值(n=2)操作都不是原子操作,如果是多线程程序需要使用全局计数器,程序就需要使用锁或者互斥量,对于较高并发的程序,会造成一定的性能瓶颈。


二.gcc原子操作api

**1.**概要


为了提高赋值操作的效率,gcc提供了一组api,通过汇编级别的代码来保证赋值类操作的原子性,相对于涉及到操作系统系统调用和应用层同步的锁和互斥量,这组api的效率要高很多。


**2.**n++类


type __sync_fetch_and_add(type *ptr, type value, ...); // m+n
type __sync_fetch_and_sub(type *ptr, type value, ...); // m-n
type __sync_fetch_and_or(type *ptr, type value, ...);// m|n
type __sync_fetch_and_and(type *ptr, type value, ...); // m&n
type __sync_fetch_and_xor(type *ptr, type value, ...); // m^n
type __sync_fetch_and_nand(type *ptr, type value, ...); // (~m)&n
/* 对应的伪代码 */
{ tmp = *ptr; *ptr op= value; return tmp; }
{ tmp = *ptr; *ptr = (~tmp) & value; return tmp; } // nand

3.++n类


type __sync_add_and_fetch(type *ptr, type value, ...); // m+n
type __sync_sub_and_fetch(type *ptr, type value, ...); // m-n
type __sync_or_and_fetch(type *ptr, type value, ...); // m|n
type __sync_and_and_fetch(type *ptr, type value, ...); // m&n
type __sync_xor_and_fetch(type *ptr, type value, ...); // m^n
type __sync_nand_and_fetch(type *ptr, type value, ...); // (~m)&n
/* 对应的伪代码 */
{ *ptr op= value; return *ptr; }
{ *ptr = (~*ptr) & value; return *ptr; } // nand

4.CAS类


bool __sync_bool_compare_and_swap (type *ptr, type oldval, type newval, ...);
type __sync_val_compare_and_swap (type *ptr, type oldval, type newval, ...);
/* 对应的伪代码 */
{ if (*ptr == oldval) { *ptr = newval; return true; } else { return false; } }
{ if (*ptr == oldval) { *ptr = newval; } return oldval; }
三.程序实例

1.test.c


例子不是并发的程序,只是演示各api的使用参数和返回。由于是gcc内置api,所以并不需要任何头文件。


#include
int main() {
int num = 0;
/*
* n++;
* __sync_fetch_and_add(10, 3) = 10
* num = 13
*/
num = 10;
printf("__sync_fetch_and_add(%d, %d) = %d/n", 10, 3, __sync_fetch_and_add(&num, 3));
printf("num = %d/n", num);
/*
* ++n;
* __sync_and_add_and_fetch(10, 3) = 13
* num = 13
*/
num = 10;
printf("__sync_and_add_and_fetch(%d, %d) = %d/n", 10, 3, __sync_add_and_fetch(&num, 3));
printf("num = %d/n", num);
/*
* CAS, match
* __sync_val_compare_and_swap(10, 10, 2) = 10
* num = 2
*/
num = 10;
printf("__sync_val_compare_and_swap(%d, %d, %d) = %d/n", 10, 10, 2, __sync_val_compare_and_swap(&num, 10, 2));
printf("num = %d/n", num);
/*
* CAS, not match
* __sync_val_compare_and_swap(10, 3, 5) = 10
* num = 10
*/
num = 10;
printf("__sync_val_compare_and_swap(%d, %d, %d) = %d/n", 10, 3, 5, __sync_val_compare_and_swap(&num, 1, 2));
printf("num = %d/n", num);
return 0;
}
四.Reference

(1)gcc Atomic-Builtins doc(2)CAS(Compare-and-swap)

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