原子地复制一个（或多个）位到一个整数

Question

我有一些代码通过首先在目标 int 中清除它们然后将它们 OR 运算到 int 中来将掩码位复制到整数中。

像这样：

bitsToSet = 6
targetInt &= ~(1 << bitsToSet)
targetInt |= desiredBitValue << bitsToSet

问题是它现在需要线程安全，我需要使操作原子化。我认为使用 std:atomic 只会使每个子操作成为原子操作而不是整个操作。

如何使整个操作（包括 &= 和 |= 操作）成为原子操作？

例如，如果我有一个像 SetBits(TARGET, MASK, VALUE) 这样的函数（或更好的宏），它会自动将 TARGET 中的 MASKed 位设置为 VALUE，这将为我解决问题。 MASK 和 VALUE 已经可以左移了。

我当前的非原子代码是

#define SetBits(TARGET, MASK, VALUE) {(TARGET) &= ~((uint64_t)MASK); (TARGET)|=((uint64_t)VALUE);}

Answer 1

可以在没有 CAS 的情况下以原子方式复制位，但要以条件代码为代价。实际上，可以使用原子 or 来设置位，而可以使用原子 and 来清除位。诀窍是将它们组合在一起：

bitToSet = 7;

// Assume targetInt is of type std::atomic<int>
if(desiredBitValue)
    targetInt.fetch_or(1 << bitToSet);
else
    targetInt.fetch_and(~(1 << bitToSet));

对于多位，到目前为止，在 C++ 中唯一可移植的方法是在循环中对 targetInt 使用 compare_exchange_weak 操作。

Answer 2

您可以使用比较交换循环：

void SetBitsAtomic(std::atomic<int>& target, int mask, int value) {
    int original_value = target.load();
    int new_value = original_value;
    SetBits(new_value, mask, value);
    while (!target.compare_exchange_weak(original_value, new_value)) {
        // Another thread may have changed target between when we read
        // it and when we tried to write to it, so try again with the
        // updated value
        new_value = original_value;
        SetBits(new_value, mask, value);
    }
}

这会读取 target 的原始值，执行屏蔽操作，然后将修改后的值写回 target ，前提是自读取后没有其他线程修改它。如果另一个线程修改了 target，那么它的更新值将写入 original_value 并且它会一直尝试，直到它设法在其他任何人之前更新 target。

请注意，我在这里为 load 和 compare_exchange_weak 操作使用了（默认）完全顺序一致性。您可能不需要完全的顺序一致性，但如果没有关于您使用它的用途的更多信息，我无法确切地知道您需要什么。

或者，您可以只使用互斥体：

std::mutex mtx;

void SetBitsAtomic(int& target, int mask, int value) {
    std::lock_guard lock{mtx};
    SetBits(target, mask, value);
}

这个可能的性能低于无锁 compare_exchange_weak 版本，但这同样取决于它的用途。它当然更简单、更容易推理，在您的情况下，这可能比原始性能更重要。

Answer 3

使用std::mutex。您的代码应如下所示：

mutex m;

void SetBitsAtomic()
{
    m.lock();
    bitToSet = 7;
    targetInt &= ~(1 << bitToSet);
    targetInt |= desiredBitValue << bitToSet;
    m.unlock();
}

原子地复制一个（或多个）位到一个整数

Atomically copy a bit (or bits) into an integer

c++

bit-manipulation

atomic

bit