c++怎么使用原子操作std::atomic_c++原子变量定义与并发控制

尼克

发布时间：2025-10-27 10:24:02

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来源于php中文网

原创

std::atomic提供无锁线程安全操作，用于共享数据并发访问；2. 支持整型、指针等类型，常用操作包括load、store、exchange、compare_exchange_weak和fetch_add/sub；3. 示例中多个线程安全递增原子计数器。

c++怎么使用原子操作std::atomic_c++原子变量定义与并发控制

在C++多线程编程中，std::atomic 是处理共享数据并发访问的核心工具之一。它提供了一种无需互斥锁（mutex）即可安全操作共享变量的方式，适用于计数器、状态标志、引用计数等场景。

原子变量的定义与基本用法

要使用原子操作，需包含头文件。std::atomic 可用于整型、指针等支持原子操作的类型。

常见定义方式：

std::atomic counter{0}; —— 定义一个原子整数并初始化为0
std::atomic ready{false}; —— 原子布尔值，常用于线程同步标志
std::atomic ptr{nullptr}; —— 原子指针，支持指针算术原子操作

这些变量可以安全地在多个线程中读写，不会引发数据竞争。

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常用原子操作函数

std::atomic 提供了多种原子操作接口，保证操作的不可分割性。

load()：原子读取当前值
store(value)：原子写入新值
exchange(value)：设置新值并返回旧值
compare_exchange_weak(expected, desired)：比较并交换（CAS），成功则赋值，失败则更新 expected
fetch_add(), fetch_sub()：原子加减，返回原值（适合计数器）

示例：线程安全的计数器

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#include 
#include 
#include 

std::atomic count{0};

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

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

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

    // 最终结果一定是10000
    return 0;
}

内存序（Memory Order）控制

原子操作可指定内存顺序，影响编译器和CPU的指令重排行为。默认使用 std::memory_order_seq_cst（顺序一致性），最安全但性能略低。

其他可选内存序：

std::memory_order_relaxed：仅保证原子性，不保证顺序，适合计数器
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后
std::memory_order_acq_rel：同时具有 acquire 和 release 语义

示例：使用 acquire/release 实现轻量同步

std::atomic flag{false};
int data = 0;

// 线程1
void producer() {
    data = 42;
    flag.store(true, std::memory_order_release);
}

// 线程2
void consumer() {
    while (!flag.load(std::memory_order_acquire)) {
        // 等待
    }
    // 此时 data 一定已为 42
}

这种方式避免了锁的开销，又保证了必要的内存可见性。

原子操作的限制与注意事项

并非所有类型都支持原子操作。std::atomic 对自定义类型的支持有限，通常只对 POD 类型有效，且需调用 is_lock_free() 检查是否真正无锁。

使用 atomic_flag 可实现真正的无锁标志（test_and_set, clear）
避免对大对象或复杂结构使用原子变量
注意 ABA 问题，在 CAS 操作中可能需要版本号辅助（如 atomic_shared_ptr 或带标记的指针）

基本上就这些。std::atomic 是高效并发编程的重要手段，掌握其用法能显著提升多线程程序性能与安全性。关键在于理解原子性、内存序以及适用场景。

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