C++ `std::atomic_ref` (C++20)：对非原子对象进行原子操作的封装

哈喽，各位好！今天咱们来聊聊C++20里一个挺有意思的小玩意儿：std::atomic_ref。这东西啊，就像是个原子操作的“外挂”，能让你给那些原本不支持原子操作的变量，也用上原子操作的特性。听起来是不是有点像“给自行车装火箭炮”？别急，咱们慢慢来，看看这玩意儿到底能干啥，怎么用，以及为什么要用它。

1. 原子操作是个啥？

在深入std::atomic_ref之前，咱们先简单回顾一下原子操作。想象一下你在银行取钱，一个操作必须是完整的，要么成功取到钱，要么就失败，不能出现取了一半钱的情况。这就是原子性。

在多线程编程里，多个线程可能会同时访问和修改同一个变量。如果没有原子操作，就可能出现各种问题，比如数据竞争、脏数据等等。原子操作保证了对变量的访问和修改是不可分割的，要么全部完成，要么完全没发生，从而避免了这些问题。

C++11引入了std::atomic，它是一个模板类，可以用来创建原子变量，例如：

#include <atomic>
#include <thread>
#include <iostream>

std::atomic<int> counter = 0;

void increment() {
    for (int i = 0; i < 10000; ++i) {
        counter++; // 原子递增
    }
}

int main() {
    std::thread t1(increment);
    std::thread t2(increment);

    t1.join();
    t2.join();

    std::cout << "Counter value: " << counter << std::endl; // 输出 20000
    return 0;
}

在这个例子中，counter是一个原子变量，多个线程可以安全地递增它，而不会出现数据竞争。

2. 为什么需要 std::atomic_ref？

std::atomic很好用，但它有个限制：只能用于它自己管理的变量。也就是说，你必须用std::atomic<T>来声明变量，才能使用原子操作。但是，有些情况下，你可能无法或不想直接声明原子变量。

Legacy Code（遗留代码）: 假设你正在维护一个老项目，里面有很多非原子变量，现在你想在多线程环境下安全地访问和修改它们，但又不想大规模重构代码，把所有变量都改成std::atomic。
POD类型: 有些数据类型，比如简单的结构体，你可能只想用它们原本的方式存储，而不想用std::atomic封装。
内存对齐: std::atomic可能会有额外的内存对齐要求，如果你对内存布局有严格的要求，可能不想使用它。

这时候，std::atomic_ref就派上用场了。它提供了一种引用非原子变量，并对其进行原子操作的方式。你可以把它看作是一个原子操作的“代理人”，它不拥有变量，只是引用它，并提供原子操作的接口。

3. std::atomic_ref 登场！

std::atomic_ref 是一个模板类，它的声明如下：

template<typename T>
class atomic_ref;

其中，T 是被引用的变量的类型。要注意的是，T 必须是可平凡复制 (TriviallyCopyable) 的类型。简单来说，就是可以用 memcpy 复制的类型。

创建 std::atomic_ref 对象:

你可以使用一个非原子变量来构造 std::atomic_ref 对象：

int non_atomic_int = 42;
std::atomic_ref<int> atomic_ref_int(non_atomic_int);

注意： std::atomic_ref 对象必须在变量的生命周期内有效。也就是说，你不能引用一个已经销毁的变量。否则，行为是未定义的，程序可能会崩溃。

使用 std::atomic_ref 进行原子操作:

std::atomic_ref 提供了和 std::atomic 类似的原子操作接口，例如：

load(): 原子地读取变量的值。
store(): 原子地存储一个新值到变量中。
exchange(): 原子地交换变量的值。
compare_exchange_weak(): 原子地比较并交换变量的值，弱版本。
compare_exchange_strong(): 原子地比较并交换变量的值，强版本。
fetch_add(), fetch_sub(), fetch_and(), fetch_or(), fetch_xor(): 原子地执行加、减、与、或、异或操作。

一个简单的例子:

#include <atomic>
#include <thread>
#include <iostream>

int non_atomic_counter = 0;
std::atomic_ref<int> atomic_ref_counter(non_atomic_counter);

void increment() {
    for (int i = 0; i < 10000; ++i) {
        atomic_ref_counter++; // 原子递增
    }
}

int main() {
    std::thread t1(increment);
    std::thread t2(increment);

    t1.join();
    t2.join();

    std::cout << "Counter value: " << non_atomic_counter << std::endl; // 输出 20000
    return 0;
}

在这个例子中，non_atomic_counter 是一个普通的 int 变量，我们使用 std::atomic_ref 来引用它，并在多个线程中安全地递增它。注意，最终输出的是 non_atomic_counter 的值，而不是 atomic_ref_counter 的值，因为 atomic_ref_counter 只是一个引用。

4. compare_exchange_weak 和 compare_exchange_strong 的区别

compare_exchange_weak 和 compare_exchange_strong 都是用来原子地比较并交换变量的值的，但它们之间有一个重要的区别：

compare_exchange_strong: 保证在比较成功的情况下，一定会交换变量的值。如果比较失败，说明变量的值已经被其他线程修改了，你需要重新读取变量的值，然后再次尝试比较和交换。
compare_exchange_weak: 允许在比较成功的情况下，仍然不交换变量的值，即使变量的值没有被其他线程修改。这听起来有点奇怪，但这是因为 compare_exchange_weak 可能会受到一些底层硬件的影响，比如虚假故障 (spurious failure)。

什么时候使用 compare_exchange_weak？

compare_exchange_weak 通常在循环中使用，用于实现更复杂的原子操作。虽然它可能会出现虚假故障，但由于它允许更灵活的优化，所以在某些情况下，它的性能可能会比 compare_exchange_strong 更好。

一个使用 compare_exchange_weak 的例子:

#include <atomic>
#include <iostream>

int main() {
    int non_atomic_value = 10;
    std::atomic_ref<int> atomic_ref_value(non_atomic_value);

    int expected = 10;
    int desired = 20;

    while (!atomic_ref_value.compare_exchange_weak(expected, desired)) {
        // 比较失败，说明变量的值已经被其他线程修改了
        // 重新读取变量的值，然后再次尝试比较和交换
        std::cout << "Compare failed, retrying..." << std::endl;
    }

    std::cout << "Compare and exchange succeeded. New value: " << non_atomic_value << std::endl;

    return 0;
}

在这个例子中，我们使用 compare_exchange_weak 来尝试将 non_atomic_value 的值从 10 修改为 20。如果比较失败，我们会重新读取 non_atomic_value 的值，然后再次尝试比较和交换。这个循环会一直执行，直到比较和交换成功为止。

5. std::atomic_ref 的限制

虽然 std::atomic_ref 很有用，但它也有一些限制：

必须是可平凡复制的类型: 被引用的类型 T 必须是可平凡复制的，这意味着可以使用 memcpy 复制该类型的值。这是因为 std::atomic_ref 内部可能会使用 memcpy 来进行原子操作。如果 T 不是可平凡复制的，编译器会报错。
生命周期管理: std::atomic_ref 对象必须在被引用的变量的生命周期内有效。如果被引用的变量已经被销毁，std::atomic_ref 对象仍然存在，那么访问它会导致未定义行为。
不适用于所有平台: 并非所有平台都支持对任意类型的原子操作。在某些平台上，可能只支持对某些特定大小的类型进行原子操作。你可以使用 std::atomic_ref<T>::is_always_lock_free 来检查某个类型是否支持原子操作。

一个 std::atomic_ref<T>::is_always_lock_free 的例子:

#include <atomic>
#include <iostream>

struct MyStruct {
    int a;
    double b;
};

int main() {
    std::cout << "Is int lock-free? " << std::atomic_ref<int>::is_always_lock_free << std::endl;
    std::cout << "Is double lock-free? " << std::atomic_ref<double>::is_always_lock_free << std::endl;
    std::cout << "Is MyStruct lock-free? " << std::atomic_ref<MyStruct>::is_always_lock_free << std::endl;

    return 0;
}

输出结果取决于你的平台和编译器。在某些平台上，int 和 double 可能是 lock-free 的，而 MyStruct 可能不是。

6. 总结和使用场景

std::atomic_ref 是一个非常有用的工具，它可以让你在不修改原有代码的情况下，为非原子变量提供原子操作的特性。它适用于以下场景：

遗留代码: 在老项目中，你可以使用 std::atomic_ref 来安全地访问和修改非原子变量，而无需大规模重构代码。
POD类型: 你可以使用 std::atomic_ref 来原子地访问和修改 POD 类型的数据，而无需使用 std::atomic 封装它们。
需要控制内存布局: 如果你对内存布局有严格的要求，可以使用 std::atomic_ref 来避免 std::atomic 带来的额外的内存对齐。
需要在不同的存储位置访问原子变量: 比如，想要通过shared memory在两个进程间访问一个原子变量，那么可以使用std::atomic_ref。

std::atomic_ref 和 std::atomic 的区别:

为了更好地理解 std::atomic_ref，咱们把它和 std::atomic 放在一起比较一下：

特性	`std::atomic`	`std::atomic_ref`
存储	拥有自己的存储	引用外部存储
类型要求	无特定要求	被引用的类型必须是可平凡复制的
生命周期管理	自动管理	需要手动管理，确保被引用的变量在 `atomic_ref` 生命周期内有效
适用场景	需要创建原子变量	需要原子地访问和修改非原子变量
内存对齐	可能有额外的内存对齐要求	没有额外的内存对齐要求

7. 进阶用法和注意事项

volatile: std::atomic_ref 可以与 volatile 关键字一起使用，以确保编译器不会对变量进行优化。但是，volatile 并不能保证原子性，因此仍然需要使用 std::atomic_ref 来进行原子操作。
内存模型: 原子操作涉及到内存模型，需要理解 std::memory_order 的各种选项，例如 std::memory_order_relaxed、std::memory_order_acquire、std::memory_order_release、std::memory_order_acq_rel 和 std::memory_order_seq_cst。选择合适的内存模型可以提高程序的性能，但也会增加代码的复杂性。
性能: 原子操作通常比非原子操作慢，因此应该谨慎使用。在性能敏感的场景中，应该仔细评估使用原子操作的必要性，并进行性能测试。

一个使用 std::memory_order 的例子:

#include <atomic>
#include <thread>
#include <iostream>

std::atomic<bool> data_ready = false;
int data = 0;

void producer() {
    data = 42;
    data_ready.store(true, std::memory_order_release); // 释放内存
}

void consumer() {
    while (!data_ready.load(std::memory_order_acquire)) { // 获取内存
        // 等待数据准备好
    }
    std::cout << "Data: " << data << std::endl;
}

int main() {
    std::thread t1(producer);
    std::thread t2(consumer);

    t1.join();
    t2.join();

    return 0;
}

在这个例子中，producer 线程设置 data 的值，然后设置 data_ready 为 true，并使用 std::memory_order_release 来释放内存。 consumer 线程等待 data_ready 变为 true，然后读取 data 的值，并使用 std::memory_order_acquire 来获取内存。这样可以保证 consumer 线程在读取 data 的值之前，一定可以看到 producer 线程设置的 data 的值。

总结的总结:

std::atomic_ref 是一个强大而灵活的工具，可以让你在 C++ 中更方便地进行多线程编程。但是，它也有一些限制和注意事项，需要仔细理解和掌握。希望今天的讲解能够帮助你更好地理解和使用 std::atomic_ref。记住，没有银弹，选择合适的工具才是王道！

好了，今天的分享就到这里，希望对大家有所帮助！以后有机会再跟大家聊聊其他的C++小技巧。拜拜！

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