5.2.2. Операции над std::atomic_flag

Простейший стандартный атомарный тип std::atomic_flag представляет булевский флаг. Объекты этого типа могут находиться в одном из двух состояний: установлен или сброшен. Этот тип намеренно сделан максимально простым, рассчитанным только на применение в качестве строительного блока. Поэтому увидеть его в реальной программе можно лишь в очень специфических обстоятельствах. Тем не менее, он послужит нам отправной точкой для обсуждения других атомарных типов, потому что на его примере отчетливо видны общие относящиеся к ним стратегии.

Объект типа std::atomic_flag должен быть инициализирован значением ATOMIC_FLAG_INIT. При этом флаг оказывается в состоянии сброшен. Никакого выбора тут не предоставляется — флаг всегда должен начинать существование в сброшенном состоянии:

std::atomic_flag f = ATOMIC_FLAG_INIT;

Требование применяется вне зависимости от того, где и в какой области видимости объект объявляется. Это единственный атомарный тип, к инициализации которого предъявляется столь специфическое требование, зато при этом он является также единственным типом, гарантированно свободным от блокировок. Если у объекта std::atomic_flag статический класс памяти, то он гарантированно инициализируется статически, и, значит, никаких проблем с порядком инициализации не будет — объект всегда оказывается инициализированным к моменту первой операции над флагом.

После инициализации с флагом можно проделать только три вещи: уничтожить, очистить или установить, одновременно получив предыдущее значение. Им соответствуют деструктор, функция-член clear() и функция-член test_and_set(). Для обеих функций clear() и test_and_set() можно задать упорядочение памяти. clear() — операция сохранения, поэтому варианты упорядочения memory_order_acquire и memory_order_acq_rel к ней неприменимы, a test_and_set() — операция чтения-модификации-записи, так что к ней применимы любые варианты упорядочения. Как и для любой атомарной операции, по умолчанию подразумевается упорядочение memory_order_seq_cst. Например:

f.clear(std::memory_order_release);← (1)

bool x = f.test_and_set();         ← (2)

Здесь при вызове clear() (1) явно запрашивается сброс флага с семантикой освобождения, а при вызове test_and_set() (2) подразумевается стандартное упорядочение для операции установки флага и получения прежнего значения.

Объект std::atomic_flag нельзя сконструировать копированием из другого объекта, не разрешается также присваивать один std::atomic_flag другому. Это не особенность типа std::atomic_flag, а свойство, общее для всех атомарных типов. Любые операции над атомарным типом должны быть атомарными, а для присваивания и конструирования копированием нужны два объекта. Никакая операция над двумя разными объектами не может быть атомарной. В случае копирования и присваивания необходимо сначала прочитать значение первого объекта, а потом записать его во второй. Это две отдельные операции над двумя различными объектами, и их комбинация не может быть атомарной. Поэтому такие операции запрещены.

Такая ограниченность функциональности делает тип std::atomic_flag идеальным средством для реализации мьютексов-спинлоков. Первоначально флаг сброшен и мьютекс свободен. Чтобы захватить мьютекс, нужно в цикле вызывать функцию test_and_set(), пока она не вернет прежнее значение false, означающее, что теперь в этом потоке установлено значение флага true. Для освобождения мьютекса нужно просто сбросить флаг. Реализация приведена в листинге ниже.

Листинг 5.1. Реализация мьютекса-спинлока с использованием std::atomic_flag

class spinlock_mutex {

 std::atomic_flag flag;

public:

 spinlock_mutex():

  flag(ATOMIC_FLAG_INIT) {}

 void lock() {

  while (flag.test_and_set(std::memory_order_acquire));

 }

 void unlock() {

  flag.clear(std::memory_order_release);

 }

};

Это очень примитивный мьютекс, но даже его достаточно для использования в сочетании с шаблоном std::lock_guard<> (см. главу 3). По своей природе, он активно ожидает в функции-члене lock(), поэтому не стоит использовать его, если предполагается хоть какая-то конкуренция, однако задачу взаимного исключения он решает. Когда дело дойдет до семантики упорядочения доступа к памяти, мы увидим, как гарантируется принудительное упорядочение, необходимое для захвата мьютекса. Пример будет приведён в разделе 5.3.6.

Тип std::atomic_flag настолько ограничен, что его даже нельзя использовать в качестве обычного булевского флага, так как он не допускает проверки без изменения значения. На эту роль больше подходит тип std::atomic<bool>, который я рассмотрю ниже.