Когда мне действительно нужно использовать atomic‹bool› вместо bool?

Ни один тип в C++ не является "атомарным по своей природе", если только он не является std::atomic* чем-то. Это потому, что так сказано в стандарте.

На практике фактические аппаратные инструкции, которые выдаются для управления std::atomic<bool>, могут (а могут и не быть) такими же, как и для обычного bool, но атомарность — это более широкое понятие с более широкими разветвлениями (например, ограничения на переупорядочивание компилятора). Кроме того, некоторые операции (например, отрицание) перегружаются атомарной операцией, чтобы создать на аппаратном уровне инструкции, явно отличающиеся от нативной, неатомарной последовательности чтения-модификации-записи неатомарной переменной.

Помните о барьерах памяти. Хотя частично изменить bool может быть невозможно, возможно, что многопроцессорная система имеет эту переменную в нескольких копиях, и один поток может видеть старое значение даже после того, как другой поток изменил его на новое. Atomic вводит барьер памяти, поэтому это становится невозможным.

Атомарные типы C++ имеют дело с тремя потенциальными проблемами. Во-первых, чтение или запись могут быть прерваны переключением задач, если операция требует более одной операции шины (и это может случиться с bool, в зависимости от того, как это реализовано). Во-вторых, чтение или запись могут повлиять только на кеш, связанный с процессором, выполняющим операцию, а другие процессоры могут иметь другое значение в своем кеше. В-третьих, компилятор может изменить порядок операций, если они не влияют на результат (ограничения немного сложнее, но пока этого достаточно).

Вы можете решить каждую из этих трех проблем самостоятельно, делая предположения о том, как реализуются используемые вами типы, явно очищая кэши и используя параметры компилятора для предотвращения переупорядочения (и, нет, volatile не делает этого). это, если ваша документация компилятора не говорит об этом).

Но зачем проходить через все это? atomic позаботится об этом за вас и, вероятно, сделает это лучше, чем вы сами.

Рассмотрим операцию сравнения и обмена:

bool a = ...;
bool b = ...;

if (a)
    swap(a,b);

После того, как мы прочитаем a, мы получим true, другой поток может прийти и установить false, затем мы меняем местами (a,b), так что после выхода b становится false, даже несмотря на то, что обмен был сделан.

Используя std::atomic::compare_exchange, мы можем выполнить всю логику if/swap атомарно, чтобы другой поток не мог установить значение false между if и swap (без блокировки). В таком случае, если обмен был сделан, то b должно быть ложным на выходе.

Это всего лишь один пример атомарной операции, которая применяется к типу с двумя значениями, такому как bool.

Атомарные операции — это больше, чем просто разорванные значения, поэтому, хотя я согласен с вами и другими авторами, что я не знаю о среде, в которой возможно разорванное bool, на карту поставлено нечто большее.

Херб Саттер сделал отличный доклад об этом, который вы можете посмотреть в Интернете. Предупреждаю, это долгий и запутанный разговор. Херб Саттер, Атомное оружие. Проблема сводится к тому, чтобы избежать гонок данных, потому что это позволяет создать иллюзию последовательной согласованности.

Атомарность некоторых типов зависит исключительно от базового оборудования. Каждая архитектура процессора имеет разные гарантии атомарности определенных операций. Например:

Процессор Intel486 (и более новые процессоры с тех пор) гарантирует, что следующие основные операции с памятью всегда будут выполняться атомарно:

• Чтение или запись байта
• Чтение или запись слова, выровненного по 16-битной границе
• Чтение или запись двойного слова, выровненного по 32-битной границе

Другие архитектуры имеют другие спецификации, в которых операции являются атомарными.

C++ — это язык программирования высокого уровня, который стремится абстрагироваться от базового оборудования. По этой причине стандарт просто не может позволить полагаться на такие низкоуровневые предположения, иначе ваше приложение не будет переносимым. Соответственно, все типы-примитивы в C++ поставляются с atomic аналогами стандартной библиотеки, совместимой с C++11, из коробки.