C++怎么使用atomic实现原子操作_C++并发编程与atomic原子操作

原子操作是不可分割的操作，能避免多线程数据竞争。std::atomic 提供原子读写、增减、比较交换等操作，默认使用顺序一致性内存序，可提升性能并替代部分锁机制，适用于计数器、状态标志等场景。

在C++并发编程中，std::atomic 是实现原子操作的核心工具。它能确保对共享变量的读写操作不会被多个线程同时修改而导致数据竞争，从而避免未定义行为。使用 atomic 可以替代部分锁机制，提升程序性能，尤其适用于计数器、状态标志等简单共享数据的场景。

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线程调度机制打断，整个过程“不可分割”。例如，递增一个变量（i++）通常包含读取、加1、写回三步，在多线程环境下可能多个线程同时读到相同值，导致结果错误。而原子操作保证这三步作为一个整体完成，不会被其他线程干扰。

如何使用 std::atomic？

要使用原子类型，需包含头文件 <atomic>，然后声明一个 atomic 变量：

• std::atomic<int> counter{0}; 声明一个原子整型变量并初始化为0
• counter.fetch_add(1); 原子地将 counter 加1，并返回旧值
• counter++; 或 ++counter; 也支持，内部自动变为原子操作
• counter.load(); 原子读取当前值
• counter.store(5); 原子写入新值

常见原子操作函数包括：

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• load()：原子读
• store(value)：原子写
• exchange(value)：设置新值并返回旧值
• compare_exchange_weak(expected, desired) 和 compare_exchange_strong()：比较并交换（CAS），是无锁编程的基础

内存序（memory_order）的使用

atomic 操作可以指定内存顺序，控制操作的同步和排序行为。默认使用 memory_order_seq_cst（顺序一致性），最安全但可能影响性能。根据需要可选择更宽松的模型：

• memory_order_relaxed：只保证原子性，不保证顺序，适合计数器
• 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
• 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
• memory_order_acq_rel：兼具 acquire 和 release 语义
• memory_order_seq_cst：最强一致性，所有线程看到的操作顺序一致

示例：使用 relaxed 内存序递增计数器

std::atomic<int> cnt{0};
cnt.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed);

实际应用场景

atomic 特别适合以下情况：

• 多线程计数器：如统计请求次数
• 状态标志：用 std::atomic<bool> 表示任务是否完成
• 单例模式中的双重检查锁定（DCLP）
• 无锁队列、栈等数据结构的基础

注意：atomic 不支持任意类型。基本类型如 int、bool、指针等有特化版本。自定义类型需满足 trivially copyable 才能使用 std::atomic<T>，否则会编译错误。

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