c++中如何使用std::atomic实现原子操作_c++ std::atomic原子操作用法

std::atomic是C++中用于避免数据竞争的原子操作工具，通过包含<atomic>头文件，可定义如std::atomic<int> counter(0);并在多线程中安全自增。

在C++中，std::atomic 是用于实现原子操作的核心工具，它能确保对共享变量的读写操作不会被多个线程同时访问导致数据竞争。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。

std::atomic 基本用法

要使用 std::atomic，需包含头文件 <atomic>。它可以包装整数类型、指针类型等支持原子操作的基础类型。

示例：定义一个原子整数并进行自增：

#include <atomic>
#include <iostream>

std::atomic<int> counter(0);

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

上面代码中，fetch_add 是原子加法操作，保证每次加1不会被中断。多个线程调用 increment() 不会导致计数错误。

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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执行不同的原子操作：

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• load()：原子地读取当前值
• store(val)：原子地写入新值
• exchange(val)：设置新值，并返回旧值
• compare_exchange_weak() 和 compare_exchange_strong()：比较并交换（CAS），常用于实现无锁结构
• fetch_add() / fetch_sub()：原子加减（适用于整型和指针）

示例：使用 compare_exchange_strong 实现线程安全的更新：

std::atomic<int> value(10);

int expected = 10;
if (value.compare_exchange_strong(expected, 20)) {
    std::cout << "更新成功，原值是 10\n";
} else {
    std::cout << "更新失败，当前值为 " << value.load() << "\n";
}

内存顺序（Memory Order）控制

每个原子操作可以指定内存顺序，影响编译器和CPU的优化行为，以平衡性能与同步强度。

常用选项包括：

• std::memory_order_relaxed：仅保证原子性，不保证顺序（性能最高）
• std::memory_order_acquire：用于 load，确保之后的读写不会被重排到该操作之前
• std::memory_order_release：用于 store，确保之前的读写不会被重排到该操作之后
• std::memory_order_acq_rel：acquire + release，用于读-修改-写操作
• std::memory_order_seq_cst：最严格的顺序一致性，默认选项

示例：使用 acquire/release 实现简单的同步：

std::atomic<bool> ready(false);
int data = 0;

// 线程1：生产数据
data = 42;
ready.store(true, std::memory_order_release);

// 线程2：消费数据
if (ready.load(std::memory_order_acquire)) {
    std::cout << data << "\n"; // 安全读取 data
}

基本上就这些。掌握 std::atomic 的基本操作和内存顺序，就能写出高效且线程安全的代码。注意不是所有类型都支持原子操作，比如不能直接对自定义结构体使用 std::atomic<MyStruct>，除非该类型满足 trivially copyable 等条件。对于复杂情况，可考虑使用 std::atomic_flag 或结合互斥锁。

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