如何实现原子计数器

Question

尝试创建一个独特的ID生成函数，得到了以下结果：

std::atomic<int> id{0};
int create_id() {
    id++;
    return id.load();
}

但是我假设这个函数有可能返回相同的值两次，对吗？例如，线程A调用该函数，增加了值，但是在线程B进来并增加了值之后，A停止，最后A和B都返回相同的值。

因此，使用互斥锁，该函数可能如下所示：

std::mutex mx;
int id = 0;
int create_id() {
    std::lock_guard<std::mutex> lock{mx};
    return id++;
}

我的问题是：是否可能仅使用原子操作来创建从计数器生成唯一整数值的行为？我之所以问这个问题，是因为我需要生成大量的ID，但听说互斥锁的速度很慢。

- Anonymous Entity

Answer 1

只需使用：

std::atomic<int> id{};

int create_id() {
    return id++;
}

请参见http://en.cppreference.com/w/cpp/atomic/atomic/operator_arith

- Jarod42

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默认情况下，std::atomic<int> 未初始化。由于此特定实例具有静态存储期，因此它会被初始化为0，但如果 id 是类中的一个字段，就需要在 std::atomic<int> id 后添加 {0} 来初始化。 - Alex Reinking

请注意，还有一个很好的 std::atomic_int 别名。 - juzzlin

Answer 2

你的两段代码实现了不同的功能。

id++;
return id.load();

该代码会增加id的值，然后返回增加后的值。

std::lock_guard<std::mutex> lock{mx};
return id++;

那段代码返回增加前的值。

要实现第一段代码试图做的事情，正确的代码是

return ++id;

实现第二个代码所做的正确代码是：

return id++;

- Pete Becker

Answer 3

互斥锁太过浪费资源。

没有预先增量原子操作（但你可以返回前一个值并将其加一）。

正如Pete所指出的那样，你的第一个代码块试图进行预增量（返回增量的结果）。

执行return ++id可以，但等同于fetch_add(1) + 1;使用缓慢的默认序列一致内存顺序。在这里没有必要，事实上你可以使用一个松散的内存顺序。

如果你真的想要使用一个全局变量作为原子变量，正确（也是最快的）的代码是：

int create_id() {
    static std::atomic<int> id{0};
    return id.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed) + 1;
}

注：

如果您只想使用后置递增，可以省略+ 1。

在Intel CPU（x86）上使用std::memory_relaxed没有区别，因为fetch_add是一个读-修改-写操作，并且总线必须被锁定（使用lock汇编指令）。但是，在松散的体系结构上，它确实有所不同。

我不想用'id'来弄脏全局命名空间，所以将其作为函数中的静态变量。然而，在这种情况下，您必须确保在您的平台上，这不会导致实际的初始化代码。例如，如果需要调用非constexpr的构造函数，则需要测试静态变量是否已经初始化。幸运的是，整数原子的值初始化构造函数是constexpr的，因此以上代码导致常量初始化。

否则，您应该将其设置为包装此功能的类的静态成员，并将初始化放在其他地方。

- Carlo Wood

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在C++中，不需要使用ATOMIC_VAR_INIT。根据你回答中的链接：“这个宏主要是为了与C兼容而提供的；它的行为与std::atomic的构造函数相同。” - bolov

啊，没错。原子类型的值初始化构造函数是constexpr的，因此也会导致常量初始化。这很有道理，因为编译器知道自己在做什么 ;）。我会稍微更新一下我的答案。 - Carlo Wood