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c++中如何使用atomic原子操作_c++无锁编程基础知识【详解】

尼克

尼克

发布时间:2026-01-20 16:18:10

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来源于php中文网

原创

std::atomic仅支持平凡可复制且无用户定义构造/析构/赋值的类型,如int、指针、固定宽度整型;C++20起才正式支持浮点类型;必须显式初始化,自定义类型需满足trivially copyable且大小通常≤16字节。

c++中如何使用atomic原子操作_c++无锁编程基础知识【详解】

atomic 的基本用法和类型限制

不能对任意类型使用 std::atomic,只有满足 trivially copyable 且不包含用户定义构造/析构/赋值的类型才可特化。常见可用类型包括 intlong longbool、指针(如 int*),以及固定宽度整型(如 std::atomic)。

浮点类型(如 floatdouble)在 C++20 前不被标准保证支持,部分编译器(如 GCC)提供扩展支持,但行为不可移植;C++20 起才正式纳入 std::atomic 等。

  • std::atomic 对象必须显式初始化,不能依赖默认构造(除非是 POD 类型且你接受零初始化)
  • 不要对 std::atomic<:string>std::atomic<:vector>> 这类类型做特化——编译会失败
  • 若需原子操作自定义结构体,必须确保其内存布局平凡(std::is_trivially_copyable_v 为 true),且大小不超过平台最大原子操作宽度(通常 ≤ 16 字节,x86-64 下多数支持 ≤ 16B,但 std::atomic<__m128> 非标)

load/store 与 memory_order 的实际取舍

最常误用的是把所有操作都写成 memory_order_seq_cst(默认),它安全但可能拖慢性能;而过度使用 memory_order_relaxed 又容易引发重排 bug。关键看是否需要同步其他变量。

典型场景:

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  • 计数器累加(无依赖其他状态)→ fetch_add(1, std::memory_order_relaxed) 足够
  • 标志位通知(如 ready_flag.store(true, std::memory_order_release) 配合另一线程 ready_flag.load(std::memory_order_acquire))→ 构成 acquire-release 同步,保证此前所有写操作对另一线程可见
  • 实现自旋锁或引用计数时,compare_exchange_weak 必须配合循环,且首次调用建议用 memory_order_acquire(读),失败重试用 memory_order_relaxed
std::atomic ready{false};
// 线程 A
data = 42;                          // 非原子写
ready.store(true, std::memory_order_release);  // release:确保 data 写入不被重排到这之后

// 线程 B while (!ready.load(std::memory_order_acquire)) { / 自旋 / } // acquire:确保后续读 data 不被重排到这之前 std::cout << data << "\n"; // 此时能安全看到 42

compare_exchange_weak 和 compare_exchange_strong 的区别在哪

两者都尝试原子地比较并交换:若当前值等于期望值,则设为新值并返回 true;否则将当前值写回期望变量并返回 false。区别在于:weak 允许「伪失败」(spurious failure)——即使值匹配,也可能因底层 CAS 指令限制(如 x86 上 LOCK CMPXCHG8B 在某些旧 CPU 上的限制)而返回 false。

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因此,weak 必须用在循环中;strong 无伪失败,但可能更慢(尤其在非 x86 平台)。绝大多数无锁数据结构(、队列节点插入)都用 weak + 循环。

  • 单次尝试就足够?用 strong(例如初始化一次性的 flag)
  • 在循环里重试?优先选 weak,x86 下二者生成代码几乎一样,ARM 上 weak 更轻量
  • 注意:期望值必须是左值(可被修改),因为失败时会写回当前值 —— 别传字面量或临时对象
std::atomic counter{0};
int expected = 0;
while (!counter.compare_exchange_weak(expected, 1, std::memory_order_acquire)) {
    // 若失败,expected 已被更新为当前值;继续循环即可
}

无锁编程中最容易被忽略的内存泄漏和 ABA 问题

无锁结构(如链表栈)删除节点时,不能直接 delete node —— 其他线程可能正处在 compare_exchange_weak 中间,还持有该节点指针。这就是经典的内存回收难题,需配合 Hazard PointerRCUepoch-based reclamation

ABA 问题更隐蔽:线程 A 读到指针 p == 0x1000,被抢占;线程 B 把该节点弹出、释放、又新建一个新节点恰好复用了 0x1000 地址;A 恢复后执行 CAS 成功,却误以为还是原来那个节点。

  • 简单规避:用 std::atomic<:pair int>> 包装指针+版本号(tagged pointer),每次修改指针时递增 tag(x86-64 下低 3 位通常未用,可作 tag)
  • 不要依赖 std::shared_ptr 自动管理——其控制块本身不是无锁的,且 load() 不是原子的
  • 标准库没提供通用无锁内存回收机制,boost::lockfree 内部用了 epoch-based,但生产环境仍建议优先评估是否真需要无锁,还是用 std::mutex + 细粒度锁更稳妥

真正难的从来不是写对一个 fetch_add,而是确认整个状态转换图在所有线程交错下仍保持不变量,以及——谁来安全回收那块内存。

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