问题

C++原子变量数组能用memset置空吗?

回答
这个问题很有意思,涉及到 C++ 原子变量和 `memset` 这样一个底层操作。答案是:不能,或者说,不能安全地、正确地使用 `memset` 来置空原子变量数组。

下面咱们就来掰扯掰扯为什么不行,以及背后涉及到的一些关键概念。

为什么 `memset` 不适用于原子变量数组?

要理解这个问题,我们得先搞清楚两个核心概念:

1. `memset` 的工作原理: `memset` 是一个C语言的函数,它的作用是在内存中的一个区域填充同一个字节值。比如说,`memset(ptr, 0, size)` 会把 `ptr` 指向的内存块的每一个字节都设置为 `0`。它根本不知道你内存里存储的是什么类型的数据,它只认字节。

2. C++ 原子变量 (`std::atomic`) 的含义: 原子变量,顾名思义,就是对它的读写操作是“原子性的”。这意味着,在多线程环境下,对一个原子变量的任何操作(比如读取、写入、增加、减去等)都不会被其他线程的并发操作打断。CPU 保证了这些操作要么完全执行,要么完全不执行,不会出现中间状态。

现在,把这两者结合起来看,问题就显而易见了:

`memset` 按字节操作,原子变量有特殊语义: 原子变量的“原子性”不仅仅是硬件层面的一个指令执行完,它还包含了对内存顺序 (memory ordering) 的约定。不同的内存顺序(如 `memory_order_seq_cst`, `memory_order_acquire`, `memory_order_release` 等)会影响编译器和 CPU 对指令重排的策略,以保证在多线程环境中操作的可见性和顺序性。`memset` 只是简单地填充字节,它不关心这些内存顺序的语义,也不会插入任何必要的内存屏障(memory barriers)或同步指令。

破坏原子性: 如果你用 `memset` 去“置空”一个原子变量,例如 `std::atomic arr[N];`,然后尝试 `memset(arr, 0, sizeof(arr));`。对于 `std::atomic` 来说,它的内部表示可能不仅仅是一个简单的 `int`。即使它内部就是 `int`,用 `memset` 填充时,它会把构成这个 `int` 的每一个字节都设置为 `0`。这看似没问题,但关键在于,这个操作 剥离了原子变量的原子性保护。

想象一下,`memset` 可能还在执行中,某个线程读取了这个原子变量的某个字节,或者更糟,某个原子变量的一部分数据被 `memset` 修改了,而另一部分还没有。这在多线程环境下会导致数据竞争 (data race),其行为是未定义的 (undefined behavior)。

更重要的是,即使某个原子变量的值被 `memset` 设置为 `0`(对于数值类型,这通常是默认的初始值),但这个操作本身不是一个原子操作。如果你想将所有原子变量设置为 `0`,并且要保证这个过程的原子性(例如,确保其他线程看到的 `arr` 数组要么全为旧值,要么全为 `0`),`memset` 是绝对做不到的。

潜在的复杂性: 对于一些更复杂的原子类型(例如 `std::atomic`,它内部可能用一个字节表示 `true` 或 `false`),`memset` 用 `0` 填充可能会产生意想不到的内部状态,即使这个 `0` 字节也可能代表某个有效的原子值。

那么,应该如何正确地“置空”原子变量数组?

既然 `memset` 不行,我们应该怎么做呢?答案是:逐个使用原子变量提供的赋值操作来初始化。

对于一个 `std::atomic` 类型的数组 `arr`,你应该这样初始化:

```c++
include
include // 或者其他容器

// 假设要初始化一个 std::atomic 类型的数组
const int ARRAY_SIZE = 100;
std::atomic atomicArray[ARRAY_SIZE];

// 使用循环和 store 操作来逐个初始化
for (int i = 0; i < ARRAY_SIZE; ++i) {
// 使用 store 操作,这是原子变量的写操作
// 默认内存顺序是 memory_order_seq_cst,最强的保证
atomicArray[i].store(0);
}
```

或者,如果你想用列表初始化(对于 C++11 及以上版本):

```c++
include

// 对于已知大小的数组,可以使用聚合初始化
std::atomic atomicArray[ARRAY_SIZE] = { std::atomic(0), std::atomic(0), / ... / };
// 或者更简洁的,编译器通常能处理
std::atomic atomicArray[ARRAY_SIZE] = {}; // 如果 T 的默认构造函数能产生一个有效值(如 int 的 0)
```

但要注意,这里的 `{}` 初始化,实际上也是对每个元素调用了默认构造函数。对于 `std::atomic`,其默认构造函数会将其值初始化为 `0`,并且这个过程是原子性的。所以,使用 `{}` 是安全且正确的。

关键点总结:

`memset` 是字节级别的填充,不理解上层数据的类型和语义。
原子变量的“原子性”包含内存顺序保证,这与 `memset` 的行为冲突。
直接用 `memset` 操作原子变量数组会破坏原子性,导致未定义行为和数据竞争。
正确的做法是使用原子变量提供的成员函数(如 `store()`)或聚合初始化 `{}` 来逐个设置值,以保证操作的原子性和内存顺序。

所以,下次看到原子变量数组需要初始化时,请千万不要随手 `memset`!用 `store` 或聚合初始化才是王道。

网友意见

user avatar

刚分配,保证还没有别的地方用的话,是可以的,也是安全的。

但是如果已经传递出去给外部使用了,那也可以——只是不保证安全。

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