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c++中如何使用原子操作atomic_std::atomic多线程安全编程

冰火之心

发布： 2025-09-23 15:20:01

原创

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std::atomic是C++中用于实现线程安全操作的模板类，它通过原子地读写基本类型数据来避免数据竞争。示例中多个线程对std::atomic<int>类型的计数器进行递增操作，确保最终结果准确无误。常用操作包括load、store、exchange和compare_exchange_strong等，并可指定memory_order以平衡同步与性能。注意其仅适用于平凡可复制类型，复杂对象需借助锁保护。正确使用std::atomic能有效减少锁开销，提升并发效率。

c++中如何使用原子操作atomic_std::atomic多线程安全编程

在C++多线程编程中，std::atomic 是实现线程安全操作共享数据的重要工具。它能保证对变量的读、写和修改是原子的，避免数据竞争（data race），从而无需使用互斥锁（mutex）也能实现高效同步。

什么是 std::atomic？

std::atomic 是一个模板类，用于封装基本数据类型（如 int、bool、指针等），提供原子操作接口。常见特化类型包括：
- std::atomic<int>
- std::atomic<bool>
- std::atomic<T*>（用于原子指针操作）
- 还有便捷类型如 std::atomic_int、std::atomic_bool

原子操作意味着该操作不会被其他线程打断，例如自增（++）、赋值（=）、compare-and-swap 等都是原子执行的。

基本用法示例

下面是一个使用 std::atomic 实现计数器递增的多线程例子：

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#include <iostream>
#include <thread>
#include <vector>
#include <atomic>
<p>std::atomic<int> counter{0};</p><p>void increment() {
for (int i = 0; i < 1000; ++i) {
counter++;  // 原子递增，线程安全
}
}</p><p>int main() {
std::vector<std::thread> threads;
for (int i = 0; i < 10; ++i) {
threads.emplace_back(increment);
}</p><pre class='brush:php;toolbar:false;'>for (auto& t : threads) {
    t.join();
}

std::cout << "Final counter value: " << counter << '\n';
return 0;

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}

如果没有 std::atomic，多个线程同时操作 counter 可能导致结果小于预期（比如 10000）。使用 atomic 后，结果一定是准确的。

常用原子操作与内存顺序

std::atomic 支持多种操作方式，并可指定内存顺序（memory order），控制操作的同步与性能平衡。

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常用成员函数：

load()：原子读取值
store(val)：原子写入值
exchange(val)：设置新值并返回旧值
compare_exchange_weak() / compare_exchange_strong()：CAS 操作，常用于无锁编程
fetch_add()、fetch_or() 等：原子运算并返回原值

内存顺序（memory order）选项：

memory_order_relaxed：最宽松，只保证原子性，不保证顺序
memory_order_acquire：用于 load，确保后续读写不被重排到它前面
memory_order_release：用于 store，确保前面的读写不被重排到它后面
memory_order_acq_rel：acquire + release
memory_order_seq_cst：默认，最严格，保证全局顺序一致

示例：使用 compare_exchange_strong 实现线程安全的单次初始化

std::atomic<bool> flag{false};
<p>void do_once() {
bool expected = false;
if (flag.compare_exchange_strong(expected, true)) {
// 成功将 false -> true，说明第一次进入
std::cout << "Initialization done by this thread.\n";
} else {
std::cout << "Already initialized.\n";
}
}</p>

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