sig_atomic_t 实际上如何工作？

问题描述：

编译器或操作系统如何区分 sig_atomic_t 类型和普通 int 类型变量，并确保操作是原子的？使用两者的程序具有相同的汇编代码。如何格外小心以使操作成为原子的？

解决方案 1：

sig_atomic_t不是原子数据类型。它只是允许在信号处理程序上下文中使用的数据类型，仅此而已。因此最好将名称读作“相对于信号处理而言是原子的”。

为了保证与信号处理程序的通信，只需要原子数据类型的一个属性，即读取和更新将始终看到一致的值。其他数据类型（例如可能long long）可以用几条汇编指令写入低位和高位部分，例如sig_atomic_t保证一次性读取和写入。

因此，平台可以选择任何整数基类型，因为sig_atomic_t可以保证volatile sig_atomic_t在信号处理程序中可以安全使用。许多平台都选择了int这种方式，因为他们知道这对他们来说int只需一条指令即可编写。

最新的 C 标准 C11 具有原子类型，但这是完全不同的东西。其中一些（那些“无锁”的类型）也可以在信号处理程序中使用，但这又是完全不同的故事。

解决方案 2：

请注意，这sig_atomic_t不是线程安全的，只是异步信号安全的。

原子涉及两种类型的障碍：

1. 编译器屏障。它确保编译器不会重新排序对原子变量的读写操作，以相对于对其他变量的读写操作。这就是volatile关键字的作用。

2. CPU 屏障和可见性。它确保 CPU 不会重新排序读取和写入。在 x86 上，所有加载和存储到对齐的 1、2、4、8 字节存储都是原子的。可见性确保存储对其他线程可见。同样，在 Intel CPU 上，由于缓存一致性和内存一致性协议 MESI ，存储对其他线程是立即可见的。但这可能会在未来发生变化。有关更多详细信息，请参阅《英特尔® 64 和 IA-32 架构软件开发人员手册》第 3A 卷中的 §8.1 锁定原子操作。

有关该主题的综合论述，请观看《原子武器：C++ 内存模型和现代硬件》。

解决方案 3：

sig_atomic_t常常只是一个typedef（对于某些系统特定的整数类型，一般int是或long）。而且使用非常重要volatile sig_atomic_t（不仅仅是sig_atomic_t单独使用）。

当您添加volatile关键字时，编译器必须避免很多优化。

最近的C11 标准添加了_Atomic和<stdatomic.h>。您需要最新的GCC（例如4.9）才能支持它。

解决方案 4：

使用两者的程序具有相同的汇编代码。如何格外小心以使操作原子化？

虽然这是一个老问题，但我认为仍然值得专门解决这个问题。在 Linux 上，sig_atomic_t由 glibc 提供。glibcsig_atomic_t中的 是 typedefint并且没有特殊处理（截至本文）。glibc文档解决了这个问题：

实际上，您可以假设 int 是原子的。您还可以假设指针类型是原子的；这非常方便。这两个假设在 GNU C 库支持的所有机器上以及我们所知的所有 POSIX 系统上都是正确的。

换句话说，regular 恰好int满足了 glibc 支持的所有平台上的要求sig_atomic_t，不需要特殊支持。尽管如此，C 和 POSIX 标准还是要求这样做sig_atomic_t，因为可能存在一些我们想要在其上实现 C 和 POSIX 的奇特机器，而这些机器int不满足 的要求sig_atomic_t。

解决方案 5：

这种数据类型似乎是原子的。

从这里开始：

24.4.7.2 原子类型为了避免对中断变量访问的不确定性，可以使用一种访问始终是原子的特定数据类型：sig_atomic_t。保证在单个指令中完成此数据类型的读取和写入，因此处理程序无法在访问“中间”运行。

sig_atomic_t 类型始终是整数数据类型，但是它到底是哪种类型以及包含多少位，可能因机器而异。

数据类型：sig_atomic_t 这是一个整数数据类型。此类型的对象始终以原子方式访问。

实际上，您可以假设 int 是原子的。您还可以假设指针类型是原子的；这非常方便。这两个假设在 GNU C 库支持的所有机器上以及我们所知的所有 POSIX 系统上都是正确的。

解决方案 6：

研究一些内核开发级内存模型是值得的......

无论如何，sig_atomic_t是原子的。原子的正常定义是您无法获得“部分”结果，例如由于并发写入或并发读取和写入。将任何其他属性附加到“原子”都是危险的，并会导致此处看到的混乱类型。

因此，当您进行任何类型的 sig_atomic_t 存储时，您都可以保证在某些东西读回时获得旧值或新值 - 无论是在存储之前、期间还是之后。

直接回答您关于“其如何工作”的问题：编译器将使用底层类型大小并在需要时发出额外的机器指令，以向 CPU 发出信号，表明它必须执行原子存储和原子读取。

尽管如此，需要注意的是，当您尝试读取 sig_atomic_t 之类的原子变量时，您实际上无法确定您将获得旧值还是新值。您所知道的是，当存储与读取同时发生时，您不会获得两个相互竞争的不同存储的混合，也不会获得旧值和新值的混合。

在 C 语言中，您通常还需要将变量声明为“volatile sig_atomic_t”，因为否则编译器没有理由不缓存它，并且您可能会使用旧值的时间比预期的要长：如果寄存器中已经有来自上次读取的旧值，则编译器没有理由强制读取新的内存。 “volatile”告诉编译器在需要获取变量的值时始终进行新的内存读取。

请注意，“volatile”和“sig_atomic_t”都不是足够强大的“编译器屏障”，以确保它不会被编译器优化器重新排序，更不用说 CPU 本身了（这需要内存屏障，而不仅仅是编译器屏障）。如果在执行 MMIO 时需要任何有关其他线程、处理器甚至硬件的可见性约束，则需要“额外的东西”（编译器屏障和内存屏障）。

这就是 C11 _Atomic 和 C11 内存模型发挥作用的地方。它们不仅仅涉及“原子”读取和存储，还包括许多有关其他实体（MMIO 设备、其他执行线程、其他处理器）的可见性规则和约束。