64位计算机上的哪种类型自然是原子能的，在GNU C和GNU C＆＃x2B;？ - 意味着他们有原子读物，原子质写道

Question

nb：对于这​​个问题，我不是在谈论C ++ 语言标准。相反，我说的是针对特定体系结构的GCC编译器实施，因为语言标准 的唯一保证是在C11或更高版本中使用 _ATOMIC 类型Code> std :: Atomic＆lt;＆gt; 类型C ++ 11或更高版本。另请参阅我在这个问题的底部的更新。

在任何体系结构上，某些数据类型都可以原子读取，并在原子上写下，而其他数据类型则可以进行多个时钟周期，并且可以在操作的中间中断，从而导致损坏如果这些数据在各个线程之间共享。

在 8位单核AVR微控制器上（例如：Arduino uno，Nano或mini使用的Atmega328 MCU），只有 8位数据类型具有原子阅读和写入（使用GCC编译器和 gnu c或 gnu c ++语言）。我在＆LT中进行了25小时的调试马拉松比赛； 2天，然后在这里写下此答案。有关更多信息，另请参阅此问题的底部。与使用AVR-LIBC库的GCC编译器一起编译时，对具有自然原子自然写入和自然原子读取的8位变量的文档。

在（32位）STM32单核微控制器上，任何数据类型 32位或较小 均自动自动原子（当使用GCC编译器和GCC编译器和GNU C或GNU C或GNU C或gnu c ++语言，如 iso c和c ++，直到2011年版本的 _ATOMIC 类型在C11和 std :: Atomic＆gt;＆gt; 中类型C ++ 11 ）。其中包括 bool / _bool ， int8_t / uint8_t ， int16_t / uint16_t ， int32_t / uint32_t ， float 和所有pointers 。唯一的不是原子类型是 int64_t / uint64_t ， double （8 bytes）和 long double double Double （也是8个字节）。我在这里写了这篇文章：

1. 哪些变量类型/尺寸在stm32 microcontrollers上是原子型？
2. stackoverflow.com/a/71625693/4561887"> reading reading一个由ISR 更新的64位
3. 变量在STM32微控制器中禁用和重新启用中断以实现原子访问警卫的方法吗？

现在，我需要知道我的 64位Linux Computer 。哪些类型自动自动原子？

我的计算机具有X86-64处理器和Linux Ubuntu OS。

我可以使用Linux标头和GCC扩展名。

我在GCC源代码中看到了几个有趣的东西，这表明至少 32-1代码>类型是原子。例如：gnu ++标头＆lt; bits/atomic_word.h＆gt; ，该>存储在/usr/include/usr/include/x86_64-linux-gnu/c ++/c ++/c ++/8/bits/bits/atomic_hword.hword.hword.word.word.word.word 在我的计算机上，并且是在这里在线，包含以下内容：

typedef int _Atomic_word;

so， int 显然是原子质。

和gnu ++ header ＆lt; bits/types.h＆gt; ，由＆lt; ext/atomicity.h＆gt; 包含-linux-gnu/bits/types.h 在我的计算机上，包含以下方式：

/* C99: An integer type that can be accessed as an atomic entity,
   even in the presence of asynchronous interrupts.
   It is not currently necessary for this to be machine-specific.  */
typedef int __sig_atomic_t;

因此，再次， int 显然是原子质。

这是一些示例代码，可以显示我在说什么...

...当我说我想知道哪些类型自然具有原子读物，并且自然是原子质写的，但是不是 atomic增量，减少或复合分配。

volatile bool shared_bool;
volatile uint8_t shared u8;
volatile uint16_t shared_u16;
volatile uint32_t shared_u32;
volatile uint64_t shared_u64;
volatile float shared_f; // 32-bits
volatile double shared_d; // 64-bits

// Task (thread) 1
while (true)
{
    // Write to the values in this thread.
    //
    // What I write to each variable will vary. Since other threads are reading
    // these values, I need to ensure my *writes* are atomic, or else I must
    // use a mutex to prevent another thread from reading a variable in the
    // middle of this thread's writing.
    shared_bool = true;
    shared_u8 = 129;
    shared_u16 = 10108;
    shared_u32 = 130890;
    shared_f = 1083.108;
    shared_d = 382.10830;
}

// Task (thread) 2
while (true)
{
    // Read from the values in this thread.
    //
    // What thread 1 writes into these values can change at any time, so I need
    // to ensure my *reads* are atomic, or else I'll need to use a mutex to
    // prevent the other thread from writing to a variable in the midst of
    // reading it in this thread.
    if (shared_bool == whatever)
    {
        // do something
    }
    if (shared_u8 == whatever)
    {
        // do something
    }
    if (shared_u16 == whatever)
    {
        // do something
    }
    if (shared_u32 == whatever)
    {
        // do something
    }
    if (shared_u64 == whatever)
    {
        // do something
    }
    if (shared_f == whatever)
    {
        // do something
    }
    if (shared_d == whatever)
    {
        // do something
    }
}

c _ATomic 类型和C ++ std :: Atomic＆lt;＆gt; 类型

我知道C11，后来提供 _ATOMIC 类型，例如：

const _Atomic int32_t i;
// or (same thing)
const atomic_int_least32_t i;

请参阅此处：请参阅此处：

1. https://en.cppreference.com/w/c/thread
2. https://en.cppreference.com/w/c/language/language/Atomic

和C ++ 11及以后提供 std :: atomic＆lt;＆gt; 类型，例如：

const std::atomic<int32_t> i;
// or (same thing)
const atomic_int32_t i;

请参阅此处：

1. https://en.cppreference.com/w/cpp/atomic/atomic/atomic

以及这些C11和C ++ 11“原子”类型提供原子读物和原子写入以及原子增量运算符，减少操作员和复合分配 ...

...但这并不是我在说的。

我想知道哪些类型自然具有原子读物，并且天然原子仅写作。对于我所说的，增量，减少和复合分配将自然是原子。

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更新2022年4月14日，

我与ST中的某人进行了一些聊天，看来STM32微控制器仅保证原子读取和写入这些条件下某些尺寸的变量：

1. 您使用汇编。
2. 您使用C11 _Atomic 类型或C ++ 11 std :: Atomic＆lt;＆gt; 类型。
3. 您将使用GCC编译器与GNU语言和GCC扩展程序一起使用。
   1. 我对最后一个最感兴趣，因为这是我在这个问题顶部的假设的关键似乎是基于过去十年的基础，而没有我意识到这一点。我想帮助查找海湾合作委员会编译器手册以及其中解释这些原子访问的位置，可以保证显然存在。我们应该检查：
      1. 8位AVR ATMEGA微控制器的AVR GCC编译器手册。
      2. STM32 GCC编译器手册32位ST微控制器。
      3. x86-64 GCC编译器手册？

到目前为止我的研究：

1. avr gcc： no avr GCC编译器手册存在。相反，在此处使用AVR-LIBC手册： - ＆gt; “用户手册”链接。

   1. avr-libc 部分 备份我的主张 在AVR上 8位类型时，当由GCC编译时，已经自然而然地具有原子读物和自然是原子质写作，当它暗示8位读取和写入已经是原子的（添加了强调）：

   需要原子访问的典型示例是 16（或更多）位变量，它在主执行路径和ISR之间共享。

   1. 它是在谈论C代码，而不是组装，因为它在该页面上提供的所有示例都在C中，其中包括 volatile uint16_t Ctr ctr 变量的一个示例。

Answer 1

从语言标准的角度来看，答案非常简单：它们都没有“绝对自动”原子。

首先，要区分两种“原子”感是很重要的。

• 一个关于信号的原子量。这样可以确保，例如，当您在上进行 x = 5 时，volatile sig_atomic_t ，那么当前线程中的信号处理程序调用将看到旧值或新值。通常仅通过在一个指令中进行访问来实现这一点，因为信号只能由硬件中断触发，这只能在指令之间到达。例如，x86 添加dword ptr [var]，12345 ，即使没有 lock> lock prefix，从这个意义上讲也是原子。

  
  

• 另一个相对于线程是原子量，因此同时访问对象的另一个线程将看到正确的值。这很难正确。特别是，类型的普通变量volatile sig_atomic_t 是不是原子相对于线程。您需要 _ATOMIC 或 std :: atomic 得到。

请注意，您的实施方式为其类型选择的内部名称不是任何证据。从 typedef int _atomic_word; 我当然不会推断“ int 显然是原子”；我不知道实施者在什么意义上使用“原子”一词，或者它是否准确（例如，可以由旧版代码使用）。如果他们想做出这样的承诺，它将在文档中，而不是在无法解释的 typedef bits header中。可以由应用程序程序员看到。

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您的硬件可能可以使某些类型的访问“自动原子”访问的事实不会告诉您C/C ++级别的任何内容。例如，在x86上，对自然对齐变量的普通全尺寸载荷和存储是原子。但是，在没有 std :: Atomic 的情况下，编译器没有义务 EMIT 普通的全尺寸负载和商店；它有权变得聪明，并以其他方式访问这些变量。它“知道”这将不是问题，因为并发访问将是一场数据竞赛，当然，程序员永远不会使用数据竞赛编写代码，对吗？

作为具体的示例，请考虑以下代码：

unsigned x;

unsigned foo(void) {
    return (x >> 8) & 0xffff;
}

一个不错的32位整数变量的负载，然后进行一些算术。有什么更无辜的？但是，查看GCC 11.2 -O2 尝试grodbolt ：

foo:
        movzx   eax, WORD PTR x[rip+1]
        ret

哦亲爱的。部分负载，不与启动。

幸运的是，X86确实保证了对齐的DWORD中包含的16位负载或存储是原子质，即使在P5 Pentium上或更高版本的donomic也是原子。实际上，适用于8个字节内的任何1、2或4字节加载或存储在x86-64上是原子，因此，即使 x 是<，这也是有效的优化代码> std :: atomic＆lt; int＆gt; 。但是在这种情况下，海湾合作委员会将错过优化。

英特尔和AMD都分别保证了这一点。 Intel用于P5 Pentium，后来包括所有X86-64 CPU。没有单个“ x86”文档列出了原子能保证的常见子集。 a 列表结合了这两个供应商的保证；大概它也是其他供应商（例如via / zhaoxin）的原子。

希望还可以保证在将此X86指令转换为AARCH64机器代码的任何模拟器或二进制翻译器中，但这绝对是值得担心的，是否在主机机器上没有匹配的原子性保证。

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这是另一个有趣的例子，这次是在ARM64上。按ARMV8-A架构参考手册的B2.2.1，对齐的64位商店是原子。所以这看起来还不错：

unsigned long x;

void bar(void) {
    x = 0xdeadbeefdeadbeef;
}

godbolt ）：

bar:
        adrp    x1, .LANCHOR0
        add     x2, x1, :lo12:.LANCHOR0
        mov     w0, 48879
        movk    w0, 0xdead, lsl 16
        str     w0, [x1, #:lo12:.LANCHOR0]
        str     w0, [x2, 4]
        ret

但是，GCC 11.2 -O2给出（ 代码> str s，不是任何方式。读者很可能会读取 0x000000000000000000000000deadBeef 。

为什么这样做？在寄存器中实现一个64位常数，以固定的说明大小对ARM64进行了几项说明。但是，两个值的两半都是相等的，那么为什么不实现32位值并将其存储到每个半部分呢？

（如果您进行无符号长 *p; *p = 0xDeadBeefDeadBeef ，则获得 stp w1，w1，[x0] （ godbolt ）。它看起来更有前途，因为它是一个指令，但是在基本的armv8-a中，实际上它仍然是两个单独的写作，出于原子的目的而言， 之间。

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在线程 “ https://stackoverflow.com/a/71875175/634919"> are并发无序与围栏写入共享内存不确定的行为吗？有另一个不错的示例，用于ARM32 Thumb，c源要求 > >未签名的短要加载一次，但生成的代码将其加载两次。在存在并发写作的情况下，您可能会获得“不可能”的结果。

一个人可以在x86-64上引起同样的激动（ godbolt

_Bool x, y, z;

void foo(void) {
    _Bool tmp = x;
    y = tmp;
    // imagine elaborate computation here that needs lots of registers
    z = tmp;
}

）代码>而不是溢出 TMP 。在X86上，您只需一份指令即可加载全局，但是溢出到堆栈中至少需要两个。因此，如果 x 正在通过线程或信号/中断进行同时修改，则断言（y == z）之后可能会失败。

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除非使用 std :: atomic ，否则假设语言实际上保证的东西超出了任何实际保证的东西，这真的是不安全的。现代编译器非常了解语言规则的确切限制，并积极地优化。他们可以并且将打破假设他们会做“自然”的代码，如果这超出了语言承诺的范围，并且他们经常以人们永远不会期望的方式做到这一点。

Answer 2

在8位AVR微控制器上（例如：Arduino uno或mini使用的Atmega328 MCU），只有8位数据类型具有原子读取和写入。

仅如果您在汇编器中写代码，而不是在C中编写代码。

在（32位）STM32微控制器上，任何数据类型32位或更小的数据都自动自动原子。

只有如果您在汇编程序中写代码，而不是在C中编写代码，则只有在ISA保证生成的指令是原子质的情况下，我不记得这是否适用于所有ARM指令。

包括bool/_bool，int8_t/uint8_t，int16_t/uint16_t，int32_t/uint32_t，float和float和所有指针。

不，那绝对是错误的。

现在，我需要知道我的64位Linux计算机。哪些类型自动自动原子？

与AVR和STM32中的类型相同：无。

这一切都归结为不能保证C中的变量访问是原子质，因为它可能会在多个指令中进行。或在某些情况下，在ISA不能保证原子质的指令中。

仅在C（和C ++）中可以将原子视为原子的类型是C11/C ++ 11的 _ATOMIC 预选赛的类型。时期。

我的这个答案在ee 这里是重复的。它明确地解决了微控制器案例，种族条件，挥发性，危险优化等。它还包含一种简单的方法，可以防止中断中的竞赛条件，该方法适用于所有中断无法中断的MCU。该答案的报价：

编写C时，必须保护ISR和背景程序之间的所有通信，以防止种族条件。 总是，每次都不例外。 MCU数据总线的大小无关紧要，因为即使您在C中进行单个8位副本，该语言也无法保证操作的原理。除非您使用C11功能 _ATomic ，否则不要。如果此功能不可用，则必须使用某种方式的信号量或在阅读过程中禁用中断等。内联汇编器是另一个选择。挥发性不能保证原子性。