c++中atomic原子操作是什么_C++ std::atomic原子操作原理与应用-C++-PHP中文网

c++中atomic原子操作是什么_C++ std::atomic原子操作原理与应用

冰火之心

发布： 2025-10-09 13:14:01

原创

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原子操作是不可分割的操作，能避免多线程下数据竞争。std::atomic 提供对共享变量的原子访问，支持 load、store、compare_exchange_weak 等操作，并通过 memory_order 控制内存可见性与重排，常用于计数器、无锁结构等场景，确保线程安全且高效。

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在C++多线程编程中，std::atomic 是用于实现原子操作的核心工具。它能确保对共享数据的操作不会被多个线程同时访问导致数据竞争，从而避免未定义行为。原子操作是不可分割的——要么全部完成，要么完全不执行，中间状态对外不可见。

什么是原子操作

原子操作是指在多线程环境下，某个操作一旦开始，就不会被其他线程打断。这类操作通常由CPU硬件直接支持，例如“读-改-写”指令（如compare-and-swap, fetch-and-add）等。

在没有原子操作的情况下，多个线程对同一变量进行递增操作可能导致结果错误：

int value = 0;
// 多个线程同时执行 value++; 可能丢失更新

因为 value++ 实际包含三个步骤：读取值、加1、写回。如果两个线程同时读到相同的旧值，就会产生冲突。

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std::atomic 的基本用法

使用 std::atomic<T> 模板类可以包装整型、指针等类型，使其操作具有原子性。

常见操作包括：

load()：原子读取值
store(val)：原子写入值
exchange(val)：交换值并返回旧值
compare_exchange_weak()/compare_exchange_strong()：比较并交换（CAS），常用于无锁编程
fetch_add(), fetch_or() 等：原子修改并返回原值

示例代码：

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#include <atomic>
#include <iostream>
std::atomic<int> counter(0);

void increment() {
    for (int i = 0; i < 1000; ++i) {
        counter.fetch_add(1);
    }
}

无论多少线程调用 increment()，最终 counter 的值都是准确的。

内存顺序（memory_order）控制性能与可见性

原子操作允许指定内存顺序，以平衡性能和同步需求。常用的有：

memory_order_relaxed：最弱约束，仅保证原子性，不参与同步或顺序约束
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
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
memory_order_acq_rel：兼具 acquire 和 release 语义
memory_order_seq_cst：默认选项，提供顺序一致性，最安全但可能影响性能

例如：

counter.store(1, std::memory_order_release);
int expected = 1;
while (!flag.compare_exchange_weak(expected, 2, std::memory_order_acq_rel)) { expected = 1; }

合理使用内存顺序可以在保证正确性的前提下提升程序性能。