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c++怎么使用atomic实现原子操作_atomic原子操作详解

冰火之心

发布： 2025-10-01 18:53:02

原创

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原子操作是不可分割的操作，能避免多线程下的数据竞争；std::atomic 提供 load、store、fetch_add、compare_exchange_weak 等方法实现原子读写与CAS操作，并通过 memory_order 控制内存顺序，确保并发安全。

c++怎么使用atomic实现原子操作_atomic原子操作详解

在C++中，std::atomic 是实现原子操作的核心工具，它能确保对共享变量的操作不会被多个线程同时干扰，从而避免数据竞争和未定义行为。这在多线程编程中非常关键，尤其适用于无锁编程（lock-free programming）场景。

什么是原子操作

原子操作是指一个操作在执行过程中不会被其他线程中断，要么完全执行，要么完全不执行。例如，对一个计数器进行自增操作（i++），在非原子情况下，可能被拆分为“读取、加1、写回”三个步骤，多个线程同时操作时就可能出现丢失更新的问题。而使用原子操作后，整个过程是不可分割的。

如何使用 std::atomic

要使用原子类型，需要包含头文件 <atomic>，然后声明一个 std::atomic 类型的变量。

基本用法如下：

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声明原子变量：比如 std::atomic<int> counter{0};
支持的操作包括：load（读）、store（写）、fetch_add（加并返回原值）、exchange（交换）、compare_exchange_weak/strong（CAS 操作）等

示例代码：

#include <atomic>
#include <iostream>
#include <thread>
#include <vector>

std::atomic<int> count{0};

void increment() {
    for (int i = 0; i < 1000; ++i) {
        count.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed);
    }
}

int main() {
    std::vector<std::thread> threads;
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        threads.emplace_back(increment);
    }

    for (auto& t : threads) {
        t.join();
    }

    std::cout << "Final count: " << count.load() << std::endl;
    return 0;
}

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这个例子中，10个线程各对原子变量累加1000次，最终结果一定是10000，不会出现数据竞争。

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常用的原子操作函数

std::atomic 提供了多种成员函数来完成不同的原子操作：

load()：原子地读取当前值，可指定内存序，如 load(std::memory_order_acquire)
store(val)：原子地写入值，如 store(42, std::memory_order_release)
fetch_add(n)：加 n 并返回旧值，常用于计数器
fetch_sub(n)：减 n 并返回旧值
exchange(val)：设置新值，并返回旧值
compare_exchange_weak(expected, desired)：如果当前值等于 expected，则设为 desired，否则将当前值写入 expected。这是实现无锁算法的基础

compare_exchange 示例：

std::atomic<int> value{10};
int expected = 10;
bool success = value.compare_exchange_strong(expected, 20);
// 如果 value 原来是10，则改为20，success为true
// 如果不是10，expected 被更新为实际值，success为false

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内存顺序（Memory Order）说明

原子操作可以指定内存顺序，控制操作的内存可见性和重排序行为。常见选项有：

std::memory_order_relaxed：最宽松，只保证原子性，不保证顺序
std::memory_order_acquire：用于读操作，确保之后的读写不会被重排到该操作之前
std::memory_order_release：用于写操作，确保之前的读写不会被重排到该操作之后
std::memory_order_acq_rel：同时具备 acquire 和 release 语义
std::memory_order_seq_cst：最严格的顺序一致性，默认选项，性能稍低但最安全

一般情况下，若无特殊需求，使用默认的 memory_order_seq_cst 即可。

基本上就这些。std::atomic 提供了一种高效且安全的方式来处理共享数据，掌握它的基本用法和内存模型，对编写正确的并发程序至关重要。注意并不是所有类型都支持原子操作，建议使用 int、指针等基础类型，或通过 std::atomic<T> 自定义时确保 T 是平凡可复制的（trivially copyable）。

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