GCC数值原子操做API原理及应用

一.前言

C/C++中数值操做，如自加(n++)自减(n–-)及赋值(n=2)操做都不是原子操做，若是是多线程程序须要使用全局计数器，程序就须要使用锁或者互斥量，对于较高并发的程序，会形成必定的性能瓶颈。

二.gcc原子操做api

**1.**概要

为了提升赋值操做的效率，gcc提供了一组api，经过汇编级别的代码来保证赋值类操做的原子性，相对于涉及到操做系统系统调用和应用层同步的锁和互斥量，这组api的效率要高不少。

**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。因为是gcc内置api，因此并不须要任何头文件。

#include <stdio.h>

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)