在C语言中原子地存储一个uint8_t类型的值

Question

假设我们有一个包含uint8_t字段的C结构体：

typedef struct foo_s {
  uint8_t field;
  // other fields...
} foo_t;

如果我们想要使用特定的内存顺序在 field 中原子地存储一个值，C 语言中有哪些可能性？根据我的研究：

• C11 标准 不允许在非原子整数类型中进行原子存储（atomic_store_explicit）。此外，在标准中没有保证具有一字节宽度的原子整数类型。
• 另一种可能性（在 C11 中）是使用内存屏障（atomic_thread_fence），然后将值存储在 field 中。但是，为了使屏障按预期工作，标准要求此存储必须是原子的，因此我们回到了前一项中描述的问题。

所以，解决我们的问题似乎不在 C 标准之内... 是否有常用的机制可以原子地存储一个字节？

请注意，由于 field 属于第三方库，我们无法更改其类型。

- user3120046

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互斥锁是一种选择，还是第三方库在未加锁的情况下读取该字段？ - user395760

@delnan，理想情况下不需要锁定。生产者将原子地存储值，消费者将原子地加载它。 - user3120046

但是锁定是可能的吗？因为它看起来似乎是唯一可行的解决方案（几乎肯定存在一种复杂的算法，它不明确使用锁定，但有效地重新实现自旋锁或其他原始工具，但这甚至更不可取）。据我所知，甚至没有硬件支持原子8位写入。 - user395760

@delnan 锁定不可行。就硬件支持而言，软件原子存储操作可能基于原子4字节硬件存储，并使用比较和交换仅修改第一个字节（请参见Doug Currie的答案）。 - user3120046

我假设这个练习的目的是将内容写入结构体中的其他项，然后设置“field”以表示完成...如果“field”是原子的，则为存储释放。问题似乎是没有办法确保写入“field”发生在写入其他项之后 :-( 我想知道atomic_thread_fence(memory_order_seq_cst)是否有任何帮助？[如果原子操作的文档是针对程序员编写的，那么世界会更美好，我个人认为。] - user3793679

请查看我自己问题的答案 - 右侧的“相关”栏暗示GCC提供原子字节存储，这对于所描述的问题是足够的。 - user3120046

Answer 1

在GCC中，可以通过使用包含在原子扩展中的__atomic_store_n实现所需的原子存储，并且可以在字节级别上工作。 原子内置文档documentation声明“GCC允许任何长度为1、2、4或8个字节的整数标量或指针类型”。 查看implementation可了解硬件存储以4字节粒度工作，但软件将通过使用比较和交换操作（即确保不会丢失对单词中任何其他字节的并发修改）来模拟字节存储。

我理解的是，原子修改适用于任何整数变量，例如field - 无需更改其类型或修饰符。

- user3120046

Answer 2

由于字节序和对齐问题，它不具备可移植性，但您可以将另一个联合结构别名为foo_t结构。别名联合结构将具有与整个uint8_t field重叠的原子大小字段。现在，您可以以原子方式更新重叠字段。由于它重叠了该字段，因此也将以原子方式更新。

通过别名联合结构，我指的是

typedef union alias_foo_u
{
    foo_t orig_foo;
    struct alias_foo_s
    {
        atomic_t field_overlap;
        ...
    } alias_foo;
} alias_foo_t;

- Doug Currie

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这也将覆盖一些相邻的字段，可能会或可能不会工作。 - user395760

当然，您必须读取-修改-写入整个重叠字段。 - Doug Currie

@DougCurrie：虽然您的解决方案可行，但似乎太过复杂：毕竟，我们只是想设置一个字节！如果没有人提出更简单的解决方案，我将接受它。 - user3120046

由于这在C标准中是未定义的，我不确定我们在这里获得了什么——用另一个未定义的解决方案替换一个未定义的解决方案？ - Voo

@DougCurrie：请查看我自己问题的答案——右侧的“相关”栏目提示GCC提供原子字节存储，这对于所描述的问题是足够的。 - user3120046