Использование std::atomic с системным вызовом futex

Вам не обязательно нужно реализовывать полный пользовательский atomic API, на самом деле должно быть безопасно просто вытащить указатель на базовые данные из atomic<T> и передать его системе.

Поскольку std::atomic не предлагает какой-либо эквивалент native_handle, как предлагают другие примитивы синхронизации, вы застрянете, выполняя некоторые специфичные для реализации хаки, чтобы попытаться заставить его взаимодействовать с собственным API.

По большей части разумно предположить, что первый член этих типов в реализации будет таким же, как тип T — по крайней мере, для целочисленных значений ^[1]. Это гарантия, которая позволит извлечь это значение.

... и преобразование std::atomic<u/int> в u/int* является UB

На самом деле это не так.

Стандарт гарантирует std::atomic Стандартный макет. Одним из полезных, но часто эзотерических свойств стандартных типов макетов является то, что безопасно reinterpret_cast использовать T значение или ссылку first подобъект (например, первый элемент std::atomic).

Пока мы можем гарантировать, что std::atomic<u/int> содержит только u/int в качестве члена (или, по крайней мере, в качестве его первого члена), тогда совершенно безопасно извлекать тип следующим образом:

auto* r = reinterpret_cast<std::uint32_t*>(&atomic);
// Pass to futex API...

Этот подход также должен удерживать окна для приведения atomic к базовому типу перед передачей его в void* API.

Примечание. Передача указателя T* на void*, который интерпретируется как U* (например, atomic<T>* в void*, когда он ожидает T*), является неопределенным поведением — даже со стандартным -макет гарантии (насколько мне известно). Он по-прежнему будет вероятно работать, потому что компилятор не может видеть системные API, но это не делает код правильно сформированным.

Примечание 2: я не могу говорить об API WaitOnAddress, так как на самом деле я его не использовал, но любой атомарный API, который зависит от адреса правильно выровненного целочисленного значения (void* или иного), должен работать правильно, извлекая указатель на базовое значение.

^[1] Так как это помечено C++20, вы можете проверить это с помощью std::is_layout_compatible с static_assert:

static_assert(std::is_layout_compatible_v<int,std::atomic<int>>);

(Спасибо @apmccartney за это предложение в комментариях).

Я могу подтвердить, что этот макет будет совместим с Microsoft STL, libc++ и libstdc++; однако, если у вас нет доступа к is_layout_compatible и вы используете другую систему, вы можете проверить заголовки вашего компилятора, чтобы убедиться, что это предположение выполняется.