c语言中的原子操作是什么如何用stdatomic.h实现原子操作-C#.Net教程-PHP中文网

c语言中的原子操作是什么如何用stdatomic.h实现原子操作

尼克

发布： 2025-06-22 08:15:02

原创

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原子操作在c语言中通过stdatomic.h实现，其核心方法包括使用原子类型和函数。1. 原子类型如atomic_int、atomic_long确保读写操作不可中断；2. 常用函数包括atomic_load（读取）、atomic_store（写入）、atomic_fetch_add（原子加法）等；3. 对于复杂操作，可使用atomic_compare_exchange_strong/weak实现比较并交换，避免aba问题；4. aba问题可通过版本号机制解决，将值与版本号打包后进行原子比较交换。该方式相比锁更轻量高效，适用于简单操作，提升并发性能。

c语言中的原子操作是什么如何用stdatomic.h实现原子操作

原子操作是指在多线程环境下，不可被中断的一个完整操作。它要么完全执行，要么完全不执行，不存在中间状态。简单来说，就像是“要么成功，要么失败，没有中间地带”。在C语言中，由于语言本身并没有内置原子操作的支持，因此需要借助外部库来实现，而 stdatomic.h 就是C11标准引入的原子操作头文件，提供了跨平台的原子操作支持。

解决方案

stdatomic.h 提供了一系列的原子类型和函数，可以用来实现原子操作。其核心思想是利用编译器和硬件提供的原子指令，确保操作的原子性。

原子类型： stdatomic.h 定义了一系列原子类型，例如 atomic_int、atomic_long 等。这些类型保证了对它们的读写操作是原子的。

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原子操作函数： stdatomic.h 提供了一系列原子操作函数，例如 atomic_load、atomic_store、atomic_fetch_add 等。这些函数可以用来读取、写入和修改原子类型的值。

下面是一个简单的例子，展示了如何使用 stdatomic.h 实现一个原子计数器：

#include <stdio.h>
#include <threads.h>
#include <stdatomic.h>

atomic_int counter = 0;

int increment_counter(void *arg) {
    for (int i = 0; i < 100000; ++i) {
        atomic_fetch_add(&counter, 1);
    }
    return 0;
}

int main() {
    thrd_t threads[4];
    for (int i = 0; i < 4; ++i) {
        thrd_create(&threads[i], increment_counter, NULL);
    }

    for (int i = 0; i < 4; ++i) {
        thrd_join(threads[i], NULL);
    }

    printf("Counter value: %d\n", atomic_load(&counter)); // 预期结果是 400000
    return 0;
}

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在这个例子中，atomic_int counter 定义了一个原子整数变量，atomic_fetch_add 函数原子地增加计数器的值。通过使用原子操作，我们可以确保即使在多个线程同时访问计数器的情况下，计数器的值也能正确递增。

为什么需要原子操作？不用锁可以吗？

在多线程编程中，多个线程可能同时访问和修改共享的数据。如果没有适当的同步机制，就会出现数据竞争，导致程序行为不可预测。锁是一种常用的同步机制，可以用来保护共享数据。然而，锁的开销相对较高，尤其是在高并发的情况下。原子操作提供了一种更轻量级的同步机制，可以在某些情况下替代锁，提高程序的性能。

使用锁当然也可以实现线程安全，但锁的管理（加锁、解锁）本身会带来额外的开销，例如上下文切换。原子操作通常直接由硬件指令支持，避免了这些开销，因此在某些场景下效率更高。当然，原子操作也有局限性，它通常只适用于简单的操作，例如读取、写入和递增。对于更复杂的操作，仍然需要使用锁。

stdatomic.h 中常用的原子操作函数有哪些？如何选择？

stdatomic.h 提供了一系列原子操作函数，常用的包括：

atomic_load：原子地读取原子变量的值。
atomic_store：原子地写入原子变量的值。
atomic_exchange：原子地交换原子变量的值。
atomic_compare_exchange_strong 和 atomic_compare_exchange_weak：原子地比较并交换原子变量的值。
atomic_fetch_add、atomic_fetch_sub、atomic_fetch_and、atomic_fetch_or、atomic_fetch_xor：原子地进行加、减、与、或、异或操作。

选择哪个函数取决于具体的应用场景。例如，如果只需要读取原子变量的值，可以使用 atomic_load。如果需要原子地增加计数器的值，可以使用 atomic_fetch_add。atomic_compare_exchange_strong 和 atomic_compare_exchange_weak 提供了更高级的原子操作，可以用来实现无锁数据结构。strong 版本保证了在操作失败时，原子变量的值不会被修改，而 weak 版本则不保证这一点。通常情况下，应该优先使用 strong 版本，除非性能要求非常高，并且能够容忍 weak 版本可能带来的副作用。

如何避免原子操作中的ABA问题？

ABA问题是指在原子操作中，一个变量的值从A变为B，然后再变回A。虽然变量的值看起来没有改变，但实际上已经发生了变化。这可能会导致一些意想不到的错误。

例如，考虑一个使用原子操作实现的无锁栈。如果一个线程从栈中弹出一个元素A，然后另一个线程将A弹出，修改A的值，再将A压回栈中。此时，第一个线程再尝试将A弹出时，会发现栈顶元素仍然是A，于是继续执行操作，但实际上A的值已经被修改了，这就会导致ABA问题。

避免ABA问题的一种常见方法是使用版本号。每次修改变量的值时，同时增加版本号。在进行原子操作时，同时比较变量的值和版本号。只有当变量的值和版本号都匹配时，才执行操作。这样就可以避免ABA问题。

stdatomic.h 本身并没有直接提供版本号的支持，但可以使用 atomic_compare_exchange_strong 或 atomic_compare_exchange_weak 来实现版本号机制。具体做法是，将变量的值和版本号打包成一个结构体，然后使用原子操作来比较和交换整个结构体。

#include <stdio.h>
#include <stdatomic.h>
#include <stdint.h>

typedef struct {
    int value;
    uintptr_t version;
} atomic_data_t;

atomic_data_t data = {0, 0};
atomic_data_t expected, desired;

int main() {
    expected = atomic_load(&data);
    desired.value = 10;
    desired.version = expected.version + 1;

    if (atomic_compare_exchange_strong(&data, &expected, desired)) {
        printf("Successfully updated value to %d, version to %lu\n", data.value, data.version);
    } else {
        printf("Compare-and-exchange failed. Current value: %d, version: %lu\n", data.value, data.version);
    }

    return 0;
}

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在这个例子中，atomic_data_t 结构体包含了变量的值和版本号。atomic_compare_exchange_strong 函数原子地比较 data 的值和 expected 的值，如果匹配，则将 data 的值更新为 desired 的值。通过比较版本号，可以避免ABA问题。

以上就是c语言中的原子操作是什么如何用stdatomic.h实现原子操作的详细内容，更多请关注php中文网其它相关文章！