C++11 并发指南已经写了 5 章，前五章重点介绍了多线程编程方面的内容，但大部分内容只涉及多线程、互斥量、条件变量和异步编程相关的 API，C++11 程序员完全可以不必知道这些 API 在底层是如何实现的，只需要清楚 C++11 多线程和异步编程相关 API 的语义，然后熟加练习即可应付大部分多线程编码需求。但是在很多极端的场合下为了性能和效率，我们需要开发一些 lock-free 的算法和数据结构，前面几章的内容可能就派不上用场了，因此从本文开始介绍 C++11 标准中 <atomic> 头文件里面的类和相关函数。
本文介绍 <atomic> 头文件中最简单的原子类型: atomic_flag。atomic_flag 一种简单的原子布尔类型，只支持两种操作，test-and-set 和 clear。
std::atomic_flag 构造函数
std::atomic_flag 构造函数如下：
- atomic_flag() noexcept = default;
- atomic_flag (const atomic_flag&T) = delete;
std::atomic_flag 只有默认构造函数，拷贝构造函数已被禁用，因此不能从其他的 std::atomic_flag 对象构造一个新的 std::atomic_flag 对象。
如果在初始化时没有明确使用 ATOMIC_FLAG_INIT初始化，那么新创建的 std::atomic_flag 对象的状态是未指定的（unspecified）（既没有被 set 也没有被 clear。）另外，atomic_flag不能被拷贝，也不能 move 赋值。
ATOMIC_FLAG_INIT: 如果某个 std::atomic_flag 对象使用该宏初始化，那么可以保证该 std::atomic_flag 对象在创建时出于 clear 状态。
下面先看一个简单的例子，main() 函数中创建了 10 个线程进行计数，率先完成计数任务的线程输出自己的 ID，后续完成计数任务的线程不会输出自身 ID：
#include <iostream>//std::cout
#include <atomic>//std::atomic, std::atomic_flag, ATOMIC_FLAG_INIT
#include <thread>//std::thread, std::this_thread::yield
#include <vector>//std::vector
std::atomic<bool> ready(false);//can be checked without being set
std::atomic_flag winner = ATOMIC_FLAG_INIT;//always set when checked
voidcount1m(intid)
{
while(!ready) {
std::this_thread::yield();
}//等待主线程中设置 ready 为 true.
for(inti =0; i <1000000; ++i) {
}//计数.
//如果某个线程率先执行完上面的计数过程，则输出自己的 ID.
//此后其他线程执行 test_and_set 是 if 语句判断为 false，
//因此不会输出自身 ID.
if(!winner.test_and_set()) {
std::cout<<"thread #"<< id <<"won!\n";
}
};
intmain()
{
std::vector<std::thread>threads;
std::cout<<"spawning 10 threads that count to 1 million...\n";
for(inti =1; i <=10; ++i)
threads.push_back(std::thread(count1m, i));
ready=true;
for(auto &th:threads)
th.join();
return0;
}
多次执行结果如下：
atomic ) ./Atomic-Flag1
spawning10threads that count to1million...
thread #6won!
atomic ) ./Atomic-Flag1
spawning10threads that count to1million...
thread #1won!
atomic ) ./Atomic-Flag1
spawning10threads that count to1million...
thread #5won!
atomic ) ./Atomic-Flag1
spawning10threads that count to1million...
thread #1won!
atomic ) ./Atomic-Flag1
spawning10threads that count to1million...
thread #1won!
atomic ) ./Atomic-Flag1
spawning10threads that count to1million...
thread #10won!
std::atomic_flag::test_and_set 介绍
std::atomic_flag 的 test_and_set 函数原型如下：
booltest_and_set (memory_order sync = memory_order_seq_cst)volatilenoexcept;
booltest_and_set (memory_order sync = memory_order_seq_cst) noexcept;
test_and_set() 函数检查 std::atomic_flag 标志，如果 std::atomic_flag 之前没有被设置过，则设置 std::atomic_flag 的标志，并返回先前该 std::atomic_flag 对象是否被设置过，如果之前 std::atomic_flag 对象已被设置，则返回 true，否则返回 false。
test-and-set 操作是原子的（因此 test-and-set 是原子read-modify-write（RMW）操作）。
test_and_set 可以指定 Memory Order(后续的文章会详细介绍 C++11 的 Memory Order，此处为了完整性列出 test_and_set 参数 sync 的取值)，取值如下：
| Memory Order 值 | Memory Order 类型 | | memory_order_relaxed | Relaxed | | memory_order_consume | Consume | | memory_order_acquire | Acquire | | memory_order_release | Release | | memory_order_acq_rel | Acquire/Release | | memory_order_seq_cst | Sequentially consistent |
一个简单的例子：
#include <iostream>//std::cout
#include <atomic>//std::atomic_flag
#include <thread>//std::thread
#include <vector>//std::vector
#include <sstream>//std::stringstream
std::atomic_flag lock_stream=ATOMIC_FLAG_INIT;
std::stringstream stream;
voidappend_number(intx)
{
while(lock_stream.test_and_set()) {
}
stream<<"thread #"<< x <<'\n';
lock_stream.clear();
}
intmain()
{
std::vector< std::thread >threads;
for(inti =1; i <=10; ++i)
threads.push_back(std::thread(append_number, i));
for(auto &th:threads)
th.join();
std::cout<< stream.str() <<std::endl;;
return0;
}
执行结果如下：
thread #1
thread #2
thread #3
thread #4
thread #5
thread #6
thread #7
thread #8
thread #9
thread #10
std::atomic_flag::clear() 介绍
清除 std::atomic_flag 对象的标志位，即设置 atomic_flag 的值为 false。clear 函数原型如下：
voidclear (memory_order sync = memory_order_seq_cst)volatilenoexcept;
voidclear (memory_order sync = memory_order_seq_cst) noexcept;
清除 std::atomic_flag 标志使得下一次调用 std::atomic_flag::test_and_set 返回 false。
std::atomic_flag::clear() 可以指定 Memory Order(后续的文章会详细介绍 C++11 的 Memory Order，此处为了完整性列出 clear 参数 sync 的取值)，取值如下：
| Memory Order 值 | Memory Order 类型 | | memory_order_relaxed | Relaxed | | memory_order_consume | Consume | | memory_order_acquire | Acquire | | memory_order_release | Release | | memory_order_acq_rel | Acquire/Release | | memory_order_seq_cst | Sequentially consistent |
结合 std::atomic_flag::test_and_set() 和 std::atomic_flag::clear()，std::atomic_flag 对象可以当作一个简单的自旋锁使用，请看下例：
#include <thread>
#include<vector>
#include<iostream>
#include<atomic>
std::atomic_flaglock=ATOMIC_FLAG_INIT;
voidf(intn)
{
for(intcnt =0; cnt <100; ++cnt) {
while(lock.test_and_set(std::memory_order_acquire))//acquire lock
;//spin
std::cout <<"Output from thread"<< n <<'\n';
lock.clear(std::memory_order_release);//release lock
}
}
intmain()
{
std::vector<std::thread>v;
for(intn =0; n <10; ++n) {
v.emplace_back(f, n);
}
for(auto&t : v) {
t.join();
}
}
在上面的程序中，std::atomic_flag 对象 lock 的上锁操作可以理解为 lock.test_and_set(std::memory_order_acquire); (此处指定了 Memory Order，更多有关 Memory Order 的概念，我会在后续的文章中介绍)，解锁操作相当与 lock.clear(std::memory_order_release)。
在上锁的时候，如果 lock.test_and_set 返回 false，则表示上锁成功（此时 while 不会进入自旋状态），因为此前 lock 的标志位为 false(即没有线程对 lock 进行上锁操作)，但调用 test_and_set 后 lock 的标志位为 true，说明某一线程已经成功获得了 lock 锁。
如果在该线程解锁（即调用 lock.clear(std::memory_order_release)） 之前，另外一个线程也调用 lock.test_and_set(std::memory_order_acquire) 试图获得锁，则 test_and_set(std::memory_order_acquire) 返回 true，则 while 进入自旋状态。如果获得锁的线程解锁（即调用了 lock.clear(std::memory_order_release)）之后，某个线程试图调用 lock.test_and_set(std::memory_order_acquire) 并且返回 false，则 while 不会进入自旋，此时表明该线程成功地获得了锁。
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