浮点数的原子操作答案

【问题标题】：Atomic operations on floats浮点数的原子操作
【发布时间】：2014-01-25 16:32:24
【问题描述】：

大多数语言都提供用于原子int 操作（添加、比较和交换等）的函数。

为什么不用于浮点类型？

【问题讨论】：

【解决方案1】：

让我们从操作系统/硬件设计的角度来思考浮点原子......

原子之所以存在是因为它们是同步所必需的。大多数同步涉及什么？句柄、标志、互斥锁、自旋锁——只要每个用户一致且用户之间不同，其实际价值就毫无意义。即使对于值更有意义的信号量之类的东西——它仍然是关于计数而不是测量，所以无论我们认为它代表什么，32 位都值得 32 位。

其次，技术问题。几乎我们可以编程的任何东西都进行整数运算。不是那么浮点 - 当 C 库模拟 FP 操作时，这些原子将难以实现和不可能实现。即使在硬件中，FP 操作通常也会比整数慢，谁想要慢锁呢？ FPU 本身的设计甚至可能使其难以实现原子操作 - 例如如果它挂在协处理器接口上，而没有直接访问内存总线。

第二个半，如果我们想要float，我们肯定也想要double 吗？但是double 经常存在比机器字大的问题，在许多架构上排除了偶数加载和存储的原子性。

第三，当涉及到诸如原子之类的东西时，CPU 架构师倾向于实现系统设计人员和操作系统人员所要求的，而操作系统人员通常并不完全喜欢浮点 - 要保存的愚蠢的额外寄存器，减慢上下文切换...更多关于硬件成本和复杂性的说明/功能，如果客户不想要它们...

所以，简而言之，没有足够的用例，所以没有硬件支持，所以没有语言支持。当然，在某些架构上你可以 roll your own atomics，我想 GPU 计算可能对主要是浮点硬件的同步有更多需求，所以谁知道它是否会保持这种状态？

【讨论】：

【解决方案2】：

为了在 Go 上下文中改进之前的答案，我们可以使用 https://golang.org/pkg/math/#Float64bits 和 https://golang.org/pkg/math/#Float64frombits 将 float64s 与 uint64s 相互转换，而无需直接使用 unsafe 包。

给定一个 uint64，然后我们可以使用所有可用的原子原语。

type AtomicFloat64 uint64

func (f *AtomicFloat64) Value() float64 {
    return math.Float64frombits(atomic.LoadUint64((*uint64)(f)))
}

func (f *AtomicFloat64) Add(n float64) float64 {
    for {
        a := atomic.LoadUint64((*uint64)(f))
        b := math.Float64bits(math.Float64frombits(a) + n)
        if atomic.CompareAndSwapUint64((*uint64)(f), a, b) {
            return
        }
    }
}

【讨论】：

这个答案不正确。你可以试试 ``` var x AtomicFloat64 x.Add(1) x.Add(1) x.Add(1) x.Value() -> -0.25 当然不是 3 ``` 如果你想要更好的方法看看这个代码：github.com/prometheus/client_golang/blob/master/prometheus/…
你完全正确！这段代码有一个错误。感谢您的关注，我会更新答案。
没有必要做a := atomic.LoadUint64，因为它可能在下一个if 语句之前改变。见golang.org/src/sync/atomic/64bit_arm.go?s=508:615#L27

【解决方案3】：

啊，原来的问题被标记为 Go 并且略有不同，所以这就是我要回答的内容，如果这不是已编辑问题的完整答案，抱歉:)

使用 Go，您可以原子地交换任何指针值，但在不安全的阴暗面稍作旅行：

http://play.golang.org/p/aFbzUMhfEB

摘录：

var uptr unsafe.Pointer
var f1, f2 float64

f1 = 12.34
f2 = 56.78
// Original values
fmt.Println(f1, f2)
uptr = unsafe.Pointer(&f1)
atomic.SwapPointer(&uptr, unsafe.Pointer(&f2))
f1 = *(*float64)(unsafe.Pointer(uptr))
// f1 now holds the value of f2, f2 is untouched
fmt.Println(f1, f2)

交换调用（以及其他原子操作，如 CAS）映射到保证这种原子性的 CPU 架构指令（有关详细信息，请参阅 https://stackoverflow.com/a/1762179/1094941）。至于为什么没有对浮动的汇编支持，我不知道。

【讨论】：

OpenCL 提供原子单精度浮点运算。它支持稍小的 C 子集。khronos.org AFAIK 意味着它是可移植的。

【解决方案4】：

CAS（比较和交换）是最重要的原子操作，因为其他（add、and、or 等）可以用它来模拟。

我认为浮点数没有 CAS 功能的一个重要原因是，相等性不适用于 IEEE754 浮点数，其方式与整数类型相同。例如，当旧的预期值或实际值变成NaN 时，您将不知道使用 CAS 交换是否成功。请记住，将 NaN 与包括 NaN 在内的任何其他值进行比较将始终返回 false。

关于原子的按位运算和算术运算，它们对浮点数的用处远不如对整数的用处。

【讨论】：