完成第五章 std::atomic_flag 这一节的内容

Author: Mq-b

md/05内存模型与原子操作.md

@@ -215,3 +215,83 @@ struct trivial_type {
 2. **Load 操作（加载操作）**：可选的内存序包括 `memory_order_relaxed`、`memory_order_consume`、`memory_order_acquire`、`memory_order_seq_cst`。
 
 3. **Read-modify-write（读-改-写）操作**：可选的内存序包括 `memory_order_relaxed`、`memory_order_consume`、`memory_order_acquire`、`memory_order_release`、`memory_order_acq_rel`、`memory_order_seq_cst`。
+
+## `st::atomic_flag`
+
+`std::atomic_flag` 是最简单的原子类型，这个类型的对象可以在两个状态间切换：**设置（true）**和**清除（false）**。它很简单，通常只是用作构建一些库设施，不会单独使用或直接面向普通开发者。
+
+在 C++20 之前，`std::atomic_flag` 类型的对象需要以 [`ATOMIC_FLAG_INIT`](https://zh.cppreference.com/w/cpp/atomic/ATOMIC_FLAG_INIT) 初始化，可以确保此时对象处于
+"清除"（false）状态。
+
+```cpp
+std::atomic_flag f = ATOMIC_FLAG_INIT;
+```
+
+在 `C++20` 中 `std::atomic_flag` 的默认[构造函数](https://zh.cppreference.com/w/cpp/atomic/atomic_flag/atomic_flag)保证对象为“清除”（false）状态，就不再需要使用 `ATOMIC_FLAG_INIT`。
+
+`ATOMIC_FLAG_INIT` 其实并不是什么复杂的东西，它在不同的标准库实现中只是简单的初始化：在 [`MSVC STL`](https://github.com/microsoft/STL/blob/daeb0a6/stl/inc/atomic#L2807-L2808) 它只是一个 `{}`，在 [`libstdc++`](https://github.com/gcc-mirror/gcc/blob/master/libstdc%2B%2B-v3/include/bits/atomic_base.h) 与 [`libc++`](https://github.com/llvm/llvm-project/blob/00e80fb/clang/lib/Headers/stdatomic.h#L169) 它只是一个 `{ 0 }`。也就是说我们可以这样初始化：
+
+```cpp
+std::atomic_flag f ATOMIC_FLAG_INIT;
+std::atomic_flag f2 = {};
+std::atomic_flag f3{};
+std::atomic_flag f4{ 0 };
+```
+
+使用 ATOMIC_FLAG_INIT 宏只是为了统一，我们知道即可。
+
+当标志对象已初始化，它只能做三件事情：**销毁、清除、设置**。这些操作对应的函数分别是：
+
+1. **`clear()`** （清除）：将标志对象的状态原子地更改为清除（false）
+2. **`test_and_set`**（测试并设置）：将标志对象的状态原子地更改为设置（true），并返回它先前保有的值。
+3. **销毁**：对象的生命周期结束时，自动调用析构函数进行销毁操作。
+
+每个操作都可以指定内存顺序。`clear()` 是一个“读-改-写”操作，可以应用任何内存顺序。默认的内存顺序是 `memory_order_seq_cst`。例如：
+
+```cpp
+f.clear(std::memory_order_release);
+bool r = f.test_and_set();
+```
+
+1. 将 `f` 的状态原子地更改为清除（false），指明 `memory_order_release` 内存序。
+
+2. 将 `f` 的状态原子地更改为设置（true），并返回它先前保有的值给 `r`。使用默认的 `memory_order_seq_cst` 内存序。
+
+> 不用着急，这里还不是详细展开聊内存序的时候。
+
+`std::atomic_flag` [不可复制](https://zh.cppreference.com/w/cpp/atomic/atomic_flag/atomic_flag)不可移动[不可赋值](https://zh.cppreference.com/w/cpp/atomic/atomic_flag/operator%3D)。这不是 `std::atomic_flag` 特有的，而是所有原子类型共有的属性。原子类型的所有操作都是原子的，而赋值和拷贝涉及两个对象，破坏了操作的原子性。拷贝构造和拷贝赋值会先读取第一个对象的值，然后再写入另一个对象。对于两个独立的对象，这里实际上有两个独立的操作，合并这两个操作无法保证其原子性。因此，这些操作是不被允许的。
+
+有限的特性使得 `std::atomic_flag` 非常适合用作制作**自旋锁**。
+
+```cpp
+class spinlock_mutex {
+    std::atomic_flag flag{};
+public:
+    void lock() {
+        while (flag.test_and_set(std::memory_order_acquire));
+    }
+
+    void unlock() {
+        flag.clear(std::memory_order_release);
+    }
+};
+```
+
+我们可以简单的使用测试一下，它是有效的：
+
+```cpp
+spinlock_mutex m;
+
+void f(){
+    std::lock_guard<spinlock_mutex> lc{ m };
+    std::cout << "😅😅" << "❤️❤️\n";
+}
+```
+
+> [运行](https://godbolt.org/z/9rs9sxsns)测试。
+
+稍微聊一下原理，我们的 `spinlock_mutex` 对象中存储的 `flag` 对象在默认构造时是清除 (`false`) 状态。在 `lock()` 函数中调用 `test_and_set` 函数，它是原子的，只有一个线程能成功调用并将 `flag` 的状态原子地更改为设置 (`true`)，并返回它先前的值 (`false`)。此时，该线程成功获取了锁，退出循环。
+
+当 `flag` 对象的状态为设置 (`true`) 时，其线程调用 `test_and_set` 函数会返回 `true`，导致它们继续在循环中自旋，无法退出。直到先前持有锁的线程调用 `unlock()` 函数，将 `flag` 对象的状态原子地更改为清除 (`false`) 状态。此时，等待的线程中会有一个线程成功调用 `test_and_set` 返回 `false`，然后退出循环，成功获取锁。
+
+`std::atomic_flag` 的局限性太强，甚至不能当普通的 bool 标志那样使用。一般最好使用 `std::atomic<bool>`，下节，我们来使用它。