Является ли std::atomic потокобезопасным для чтения?

Опубликованный код является потокобезопасным в том смысле, что он не будет вызывать неопределенное поведение, но не потокобезопасным в том смысле, что он не даст вам поведение, которое вы пытаетесь гарантировать.

В частности, в этом коде есть состояние гонки:

if (isRunning)
{
    return;
}
// XXX
isRunning = true;

Представьте себе сценарий, в котором поток A выполняется и доходит до строки с показанным выше комментарием XXX... затем планировщик ОС вытесняет поток A и позволяет потоку B выполняться, а поток B устанавливает isRunning в true и начинает выполнять свои обязанности. обычная обработка. Затем поток A возвращается к ЦП, устанавливает isRunning в true (снова) и также начинает выполнять свою обработку.

В этот момент у вас есть поток A и поток B, обрабатывающие данные одновременно, чего вы пытались избежать.

Вывод таков: для этой цели мьютекс — правильный инструмент для работы; атомарная переменная имеет свое применение, но она не позволит вам (эффективно) заблокировать выполнение одного потока, пока другой поток не завершит выполнение критической секции, и это поведение, которое вы хотите в этой программе.

mutex — это инструмент, разработанный для этой работы, поэтому, если вы уже используете его, нет причин использовать вместо него atomic. В зависимости от реализации mutex может быть более эффективным или просыпаться быстрее.

При этом вы можете использовать atomic в качестве блокировки, но недостаточно использовать isRunning = true, потому что несколько потоков могут обойти if (isRunning) до того, как вы установите значение. Вместо этого вы должны использовать compare_exchange_weak для сравнения и установки атомарным образом:

// Before the critical section
bool expected;
do {
    expected = false;
} while (!isRunning.compare_exchange_weak(expected, true));

// Critical section here
    
// Unlock at the end
isRunning = false;

Это потребует много процессорного времени, потому что он постоянно проверяет значение. Вы можете добавить счетчик, чтобы дать время другим потокам на случай, если ожидание займет много времени:

bool expected;
size_t counter = 0;
do {
    expected = false;
    if (counter > 100) {
        Sleep(10);
    }
    else if (counter > 20) {
        Sleep(5);
    }
    else if (counter > 3) {
        Sleep(1);
    }
    counter++;
} while (!isRunning.compare_exchange_weak(expected, true));

Атомики безопасны для операций, над которыми они имеют атомарность (по определению). Так. например, вам гарантировано, что ничто не изменит atomic, пока вы его читаете.

Однако вашему коду требуется, чтобы вся последовательность чтения/проверки/записи была атомарной, что в данном случае не гарантируется.

Вам нужно либо использовать что-то, что может сделать всю последовательность атомарной (например, мьютекс), либо полагаться на что-то вроде атомарного сравнения и замены.

Просто имейте в виду, что если ваш код будет зацикливаться до тех пор, пока не сработает сравнение и замена, на самом деле нет большой разницы между этим и мьютексом. На самом деле мьютекс может быть даже предпочтительнее, поскольку он может переводить потоки в спящий режим до тех пор, пока мьютекс не будет освобожден, а не запускать их все, ожидая освобождения ресурса.