C++中原子变量的访问速度有多快？

Question

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我的问题是，使用C++0x的atomic<>类，访问原子变量有多快？缓存层面会发生什么？比如，如果一个线程只是读取它，它需要到RAM中读取吗，还是可以直接从执行它的核心的缓存中读取？假设架构是x86。

我特别想知道的是，如果一个线程只是从中读取，同时没有其他线程在写入，那么惩罚是否与读取普通变量相同。原子变量如何被访问。每次读取是否都隐含着写入，如compare-and-swap? 原子变量是通过使用compare-and-swap来实现的吗？

- MetallicPriest

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取决于硬件。你有哪些设备在考虑？此外，你实际上没有太多的选择。如果你决定原子操作速度太慢，几乎不能决定不使用它，并且只能希望你没有任何竞争条件！ - David Heffernan

数据有多宽？对齐方式是什么？ - David Heffernan

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还有，“if one thread is just reading it”是什么意思？如果只有一个线程在读取，那么您不需要将其设置为原子操作。 - David Heffernan

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写入线程必须锁定/使指向同一内存的所有其他缓存行无效。完成“写入”后，使用相同缓存行的所有其他处理器必须重新获取缓存行，可以通过从另一个缓存进行嗅探或从内存中获取来实现。获取缓存行后，它将保持有效状态，直到另一个处理器再次使其无效为止。 - Christopher

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这取决于所使用的内存顺序。如果使用默认的内存顺序（即“顺序一致性”），这可能是正确的，但在更次要的顺序中可能不正确。 - R. Martinho Fernandes

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3个回答

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答案并不像你想象的那么简单。它取决于确切的CPU型号，也取决于情况。最糟糕的情况是当你需要在一个变量上执行读-修改-写操作，并且存在冲突（什么是冲突又取决于CPU型号，但最常见的情况是当另一个CPU正在访问相同的缓存行）。

- Suma

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原子操作利用特殊的体系结构支持来获得原子性，而不强制所有读/写都要到达主存储器。基本上，每个核心都可以探测其他核心的高速缓存，因此它们通过这种方式了解其他线程操作的结果。

具体性能取决于体系结构。在x86上，许多操作已经是原子的，所以它们是免费的。我见过从10到100个时钟周期的数字，具体取决于体系结构和操作。就比较而言，任何从主存储器中读取的操作需要3000-4000个时钟周期，因此几乎所有平台上的原子操作都比直接访问内存快得多。

- Cort Ammon

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可以查看英文原文，
原文链接

- Necrolis · Accepted Answer

如果你想要原始数字，Anger Fog的优化手册中的数据列表应该会有用。此外，英特尔手册有几个章节详细说明多核系统中内存读/写时的延迟，其中应包括由于需要原子写入而导致的总线锁定所引起的减速细节。