c++中std::atomic原子操作的用法_c++原子类型atomic的线程安全操作解析

原子操作是不可分割的操作，std::atomic 提供线程安全的共享变量访问，避免数据竞争，支持原子读写、自增及比较交换等操作，并通过内存序控制性能与可见性。

在C++多线程编程中，std::atomic 提供了一种无需显式加锁即可实现线程安全操作的方式。它用于保证对共享变量的读、写或修改是原子的，避免数据竞争（data race），从而确保程序的正确性。

什么是原子操作？

原子操作是指不会被线程调度机制打断的操作——要么完全执行，要么不执行，中间状态对外不可见。在多线程环境下，多个线程同时访问同一变量时，普通读写可能产生未定义行为，而使用 std::atomic 可以确保这些操作是安全的。

例如，两个线程同时对一个整型变量做自增操作：

int counter = 0;
// 多个线程执行 counter++; // 非原子操作，结果不确定

这种情况下，由于 counter++ 包含读取、加1、写回三个步骤，可能出现竞态条件。使用 std::atomic 就能解决这个问题。

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基本用法：声明和常用操作

要使用原子类型，需包含头文件 ，然后声明原子变量：

#include 
std::atomic counter{0}; // 初始化为0

常见成员函数包括：

• 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），用于实现无锁算法
• 支持部分内置类型的原子运算符，如 ++、--、+= 等（仅限整型和指针类型）

示例：线程安全的计数器

#include 
#include 
#include 
#include 

std::atomic cnt(0);

void increment() {
    for (int i = 0; i < 1000; ++i) {
        cnt++; // 原子自增
    }
}

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

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

    std::cout << "Final count: " << cnt.load() << '\n'; // 输出 10000
    return 0;
}

这里每个线程对 cnt 执行1000次自增，最终结果准确为10000，不会出现数据竞争。

内存序（Memory Order）控制性能与可见性

默认情况下，std::atomic 使用最严格的内存序 std::memory_order_seq_cst（顺序一致性），保证所有线程看到的操作顺序一致，但性能开销较大。

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可以根据需求选择更宽松的内存序来提升性能：

• std::memory_order_relaxed：只保证原子性，不保证顺序。适合计数器等场景
• 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：最强一致性，默认选项

示例：使用 relaxed 内存序的高性能计数器

std::atomic fast_count{0};

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

如果只是统计总数且不依赖其他内存操作顺序，relaxed 是安全且高效的。

compare-and-swap 实现无锁逻辑

compare_exchange_weak 和 compare_exchange_strong 是构建无锁数据结构的核心工具。它们实现“如果当前值等于预期值，则替换为新值”的原子操作。

典型用法模式：

std::atomic val{10};

int expected = val.load();
while (!val.compare_exchange_weak(expected, expected + 1)) {
    // 如果 val 已被其他线程修改，expected 会被更新为当前值
    // 循环继续尝试，直到成功
}

注意：compare_exchange_weak 允许偶然失败（即使值匹配也可能失败），通常放在循环中使用；compare_exchange_strong 更可靠，但在某些平台上稍慢。

此机制可用于实现线程安全的单例、无锁队列、状态机等高级结构。

基本上就这些。std::atomic 是C++中实现高效线程同步的重要工具，合理使用可以避免锁带来的阻塞和死锁问题，但也要求开发者理解内存模型和并发逻辑。掌握 load/store/CAS 和内存序的选择，是写出正确又高效的并发代码的关键。不复杂但容易忽略细节。