如何实现一个可移植的指针比较和交换？

Question

如何实现一个可移植的指针比较和交换？

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我在StackOverflow的一个回答中找到了这段关于compareAndSwap的代码：

boolean CompareAndSwapPointer(volatile * void * ptr,
                              void * new_value,
                              void * old_value) {
#if defined(_MSC_VER)
   if (InterlockedCompareExchange(ptr, new_value, old_value) == old_value) return false;
   else return true;
#elif (__GNUC__ * 10000 + __GNUC_MINOR__ * 100 + __GNUC_PATCHLEVEL__) > 40100
   return __sync_bool_compare_and_swap(ptr, old_value, new_value);
#else
#  error No implementation
#endif
}

这是除了内联汇编外，最合适的具有便携式快速代码的方法吗？

此外，一个问题在于不同编译器中那些特定的builtin方法具有不同的参数和返回值，这可能需要进行一些额外的更改，例如在此示例中使用if then else。

另一个问题是这些builtin方法在机器代码层面上的行为，它们是否完全相同？（例如，是否使用相同的汇编指令）

注意：如果有许多支持的平台而不仅仅是（Windows和Linux）如本例所示，则另一个问题将是代码可能会变得非常庞大。

- Bionix1441

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这是拥有可移植快速代码的最适当方式吗？（除了内联汇编）。内联汇编将极其不具备可移植性。 - Michael

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std::atomic<T*> :-) - Kerrek SB

我目前正在使用C。 - Bionix1441

@Michael 你是正确的。 - Bionix1441

@Michael，所以为了让我和所有人都明白，汇编内联是依赖于微处理器体系结构还是编译器的？谢谢。 - Bionix1441

3个回答

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请看一下ConcurrencyKit，可能您可以使用更高级的原语，这可能是大多数人真正想要的。与某些特定于操作系统的HAL相比，我认为CK适用于Windows和许多非GCC编译器。

但是，如果您只对如何在各种C编译器上可移植地实现“比较和交换”或原子操作感兴趣，请查看并了解代码的工作方式。这都是开源的。

我怀疑细节可能会变得混乱，而且通常不会成为普通公众易于理解或有趣的阐述内容。

- rocky

ConcurrencyKit非常针对这些并发情况，但在被用户编辑之前，我的问题是普遍的，不仅仅适用于比较和交换。我只是将其作为澄清问题的例子，以解释我目前遇到的问题。 - Bionix1441

1

请查看修改后的答案。 - rocky

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在现代C语言中，从C11开始，使用_Atomic作为类型限定词，atomic_compare_exchange_weak作为函数。较新版本的gcc和clang符合C11标准，并以可移植的方式实现这些操作。

- Jens Gustedt

微软不使用现代C语言 - 这并没有帮助。 - Neil

@Neil，我认为它确实可以。它将需要编写异常的奇异平台的情况减少到1个，这就是标准的理念。此外，<stdatomic.h>有MS的实现，整个接口最初是为Windows上的一个库而发明的。 - Jens Gustedt

@Jens，这些https://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc-4.1.2/gcc/Atomic-Builtins.html难道不比普通的更快吗？我认为这些内置方法在性能方面类似于宏扩展。 - Bionix1441

@Bionix1441，你所说的“正常的”是什么意思？就像我所说的，atomic_compare_exchange*接口是宏，解析为类似于这些内置函数的东西。作为这些东西的用户，这不应该是你关心的问题。只要想一想，编译器实现者会尽其所能使这些操作高效。由于gcc人员知道如何处理__buitlin，你可以确信他们也知道如何实现标准接口。 - Jens Gustedt

@Bionix1441，你好，似乎你对效率有一个错误的想法。实际上，时间上的真正限制因素是总线传输，可能最多需要几百个时钟周期。因此，原子操作从绝对意义上来说永远不是“高效”的，只是相对于使用互斥锁锁定临界区更加高效而已。 - Jens Gustedt

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- Neil · Accepted Answer

我会使用硬件抽象层（HAL），允许通用代码成为共同的，任何可移植源都可以包含并构建到每个平台上。在我看来，这可以使源代码更好地结构化和更易于阅读。为了让您更好地理解这个过程，我建议您搜索Google以查找示例和说明。希望这个简短的答案有所帮助。

[编辑] 我将尝试为Bionix提供一个简单的示例，以展示如何实现HAL系统...

A先生想要他的应用程序在他的“天河2号”和他的“Amiga 500”上运行。他有交叉编译器等，并将在他的PC上构建两个二进制文件。他想要读取键并打印到屏幕上。

mrAMainApplication.c 包含以下内容...

#include "hal.h"

// This gets called every time around the main loop ...
void mainProcessLoop( void )
{
   unsigned char key = 0;

   // scan key ...
   key = hal_ReadKey();

   if ( key != 0 )
   {
       hal_PrintChar( key );
   }
}

他随后创建了一个头文件（请记住 - 这是一个例子，不是工作代码！）... 他创建了 hal.h ...

#ifndef _HAL_H_
#define _HAL_H_

unsigned char hal_ReadKey( void );
unsigned char hal_PrintChar( unsigned char pKey );

#endif // _HAL_H_

现在A先生需要两个分别用于“天河-2”系统和Amiga 500的源文件...

hal_A500.c

void hal_ReadKey( void )
{
    // Amiga related code for reading KEYBOARD
}

void hal_PrintChar( unsigned char pKey )
{
    // Amiga related code for printing to a shell...
}

hal_Tianhe2_VERYFAST.c

void hal_ReadKey( void )
{
    // Tianhe-2 related code for reading KEYBOARD
}

void hal_PrintChar( unsigned char pKey )
{
    // Tianhe-2 related code for printing to a shell...
}

当Mr A为Amiga构建应用程序时，他会构建mrAmainApplication.c和hal_A500.c。而在为天河二号构建时，他会使用hal_Tianhe2_VERYFAST.c代替hal_A500.c。

好的，我加入了一些幽默元素来编写这个例子，没有针对任何人，只是为了使例子更有趣，希望能帮助理解。

尼尔