c++11 uint64_t 周期原子减量为 0

Question

我正在尝试编写一个简单的并行处理系统，它应该生成 N 个对象以放入多线程环境中的容器中。

为了告诉线程何时停止生成对象，我创建了一个简单的反向计数器，它从 N 开始，在 0 处运行，每个线程并行递减它。 计数器应该是 uint64_t，我想尝试 C++11 的原子支持。代码是这样的

//Class member
std::atomic<uint_fast64_t> counter

//Parallel function
while(counter-- > 0)
{
do something
}

它正确编译并执行，但它进入了一个无限循环，因为一旦计数器达到 0，它会进一步递减，但它会跳回可用的最高整数，因此永远不会停止。

将类型更改为 int64 而不是 uint64 可以解决问题，但我想了解为什么我需要这种解决方法。

我目前的工作假设是，即使条件为假，减量仍然会完成，所以当第一个线程检查计数器为 0 时，它无论如何都会减量，并且操作减法操作并不真正关心编码整数，但执行一个简单的按位运算（我忘记了到底是哪个，但我记得加法和减法是通过简单的按位异或和移位完成的），在下一次迭代中被解释为最大 uint 值。你觉得这个解释合理吗？

除了从 uint 切换到 int 之外，还有一个选择是将操作从减量切换到增量，但是您能想出一种不同的算法来在这种情况下保持减量吗？

编辑1

我想到的另一个可能的解决方案，虽然不是特别优雅，但知道实际并行启动了多少线程，将计数器停止在 N_Threads 处，起始值为 Tot+NThreads

//In calling function
counter = Tot+NThreads

//Parallel function
while(counter-- > NThreads)
{
do something
}

Answer 1

原子性只保证所有线程都能看到atomic 值的一致值。通常像-- 这样的操作是读-修改-写操作。 atomic 只保证没有其他线程修改计数器，而另一个线程正忙于修改它。

澄清：atomic 防止数据竞争，仅此而已。

假设两个线程，T1 和 T2 以及以下 R、M、W 序列：现在线程 T2 的结果已被 T1 的结果覆盖，即计数器的值没有一致。

T1：读取 T2：读取 T2：修改 T1：修改 T2：写入 T1：写入

因此，在您的问题中，代码执行counter--，这意味着-- 将始终完成，无论其值是多少。因此，如果该值已经为零，那么现在将是 -1，或者，当使用 unsigned 数据类型时，是 unsigned 类型的最大值。

Answer 2

你的假设

这或多或少是正确的。 (unsigned) 0 - 1 将是最大的无符号整数。即使条件为假，您的原子减量也将始终发生。

我们如何解决这个问题？

我相信您实际上正在寻找这样的东西：

std::atomic<uint_fast64_t> counter;
while (true) {
    uint_fast64_t cur = counter;
    if (cur == 0)
        break;
    if (counter.compare_exchange_strong(cur, cur - 1) == false)
        continue;

    ... // Perform work
} 

首先，我们测试计数器的当前值是否为 0。如果是，我们就完成了工作，我们应该退出。

如果它大于 0，那么我们需要减少计数器。这是一个比较和交换操作。因此，如果值在到达第二个原子操作所需的时间内没有改变，我们执行递减，然后做一些工作。如果我们被抢占了，那我们就再试一次。