c++中std::atomic原子操作入门_c++多线程安全的原子操作详解

std::atomic用于实现线程安全的原子操作，避免数据竞争。它支持load、store、fetch_add等原子函数，并可通过compare_exchange_weak实现CAS操作，常用于无锁编程；需注意仅适用于平凡可复制类型，默认内存序seq_cst保证最强一致性，但高并发下应权衡性能与正确性。

在C++多线程编程中，std::atomic 是实现线程安全操作的核心工具之一。它用于对共享变量进行原子访问，避免数据竞争（data race），从而保证程序的正确性。本文将从入门角度讲解 std::atomic 的基本用法、常见操作和注意事项，帮助你理解如何在多线程环境中安全地使用原子变量。

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其他线程中断。也就是说，该操作要么完全执行，要么完全不执行，不存在中间状态。在多线程环境下，多个线程同时读写同一个变量时，如果没有同步机制，就可能发生数据竞争。

例如两个线程同时对一个全局 int 变量做自增操作（i++），这个操作实际上包含“读-改-写”三个步骤，不是原子的。如果不加保护，最终结果可能小于预期值。

使用 std::atomic<T> 可以让这些操作变成原子的，确保线程安全。

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基本用法与常用类型

std::atomic 是一个模板类，可以包装支持原子操作的类型，如 bool、int、指针等。

常见特化类型包括：

• std::atomic_int —— 原子整型（推荐使用 std::atomic<int>）
• std::atomic_bool —— 原子布尔值
• std::atomic<T*> —— 原子指针，支持指针算术

示例：使用 atomic 实现线程安全计数器

#include <iostream>
#include <thread>
#include <vector>
#include <atomic>

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

void increment() {
    for (int i = 0; i < 100000; ++i) {
        counter.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed);
    }
}

int main() {
    std::vector<std::thread> threads;
    for (int i = 0; i < 4; ++i) {
        threads.emplace_back(increment);
    }

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

    std::cout << "Final counter value: " << counter.load() << '\n';
    return 0;
}

上面代码中，多个线程并发调用 fetch_add 对原子变量进行递增，最终结果一定是 400000，不会出现数据竞争。

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(expected, desired)：比较并交换（CAS），如果当前值等于 expected，则设为 desired，否则将当前值写入 expected
• fetch_add(), fetch_sub()：原子加减，返回原值
• fetch_and(), fetch_or(), fetch_xor()：位运算原子操作

CAS 操作是构建无锁数据结构的基础。例如：

std::atomic<int> val(0);
int expected = 0;
bool success = val.compare_exchange_strong(expected, 1);
// 如果 val 当前为 0，则设为 1；否则 expected 被更新为 val 的实际值

内存顺序（Memory Order）简介

每个原子操作都可以指定内存顺序，控制操作周围的内存访问如何排序。常见的选项有：

• std::memory_order_relaxed：最弱约束，仅保证原子性，不保证顺序
• std::memory_order_acquire：用于 load，保证之后的读写不会被重排到此操作之前
• std::memory_order_release：用于 store，保证之前的读写不会被重排到此操作之后
• std::memory_order_acq_rel：acquire + release，用于 read-modify-write 操作
• std::memory_order_seq_cst：默认顺序，最强一致性，所有线程看到的操作顺序一致

大多数情况下使用默认的 seq_cst 就足够了。只有在追求极致性能且理解其含义时才建议使用更弱的内存序。

注意事项与限制

并不是所有类型都能用于 std::atomic。必须是平凡可复制（trivially copyable）的类型，且底层支持原子指令。

例如，std::atomic<std::string> 是不允许的，因为 string 不是固定大小，也无法原子操作。

对于复杂对象，应使用互斥锁（mutex）或其他同步机制。

另外，虽然原子操作比锁轻量，但频繁的原子操作仍可能影响性能，尤其是在高争用场景下。

基本上就这些。掌握 std::atomic 能让你写出更高效、更安全的多线程代码。关键是理解原子性、CAS 操作和内存顺序的基本概念。在实际项目中，优先考虑使用 atomic 来替代简单的共享变量读写，避免不必要的锁开销。

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