深入解析现代C++中的原子（std::atomic）(现代C++深入剖析：std::atomic原子操作详解)

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ithorizon 6个月前 (10-20) 阅读数 17 #后端开发

现代C++深入剖析：std::atomic原子操作详解

一、引言

在现代多线程编程中，确保数据的一致性和线程间的同步是至关重要的。C++11及以后的版本引入了原子操作，通过std::atomic模板类提供了一种保证内存操作原子性的机制。原子操作能够确保在多线程环境下，对数据的读写不会考虑到并发访问而引起数据不一致或竞态条件。本文将深入解析std::atomic的使用、原理及其在现代C++中的应用。

二、原子操作的概念

原子操作是指不可分割的操作，即操作在执行过程中不会被任何其他线程中断。在多核处理器上，原子操作可以保证指令在单个处理器核心上连续执行，从而避免多线程之间的数据竞争。

三、std::atomic的基本用法

std::atomic是C++11中新增的一个模板类，用于封装一个类型的原子操作。以下是std::atomic的基本用法：


#include <atomic>
std::atomic<int> counter(0);
counter.store(1); // 原子地设置counter的值为1
int value = counter.load(); // 原子地读取counter的值

四、std::atomic的类型拥护

std::atomic模板类拥护的基本类型包括：

内置类型（如int、char、bool等）

指针类型

std::atomic的特化类型，如std::atomic_flag

对于自定义类型，可以通过特化std::atomic模板来实现原子操作。

五、std::atomic的操作函数

std::atomic提供了一系列的操作函数，以下是一些常用的操作：


std::atomic<int> ai(0);
// 原子地设置值
ai.store(10);
// 原子地读取值
int value = ai.load();
// 原子地增多
ai.fetch_add(1);
// 原子地减少
ai.fetch_sub(1);
// 原子地交换
int old_value = ai.exchange(20);
// 原子地比较并交换
bool success = ai.compare_exchange_strong(value, 20);

六、std::atomic与内存模型

C++的内存模型定义了内存操作的顺序和同步，以及不同线程间怎样看到这些操作。原子操作在内存模型中扮演着重要角色，考虑到它们提供了同步和顺序保证。以下是几个关键的内存顺序概念：

内存顺序放松（Relaxed）：不提供任何同步或顺序保证。

内存顺序获取（Acquire）：保证在获取操作之后的读操作可以看到之前的写操作。

内存顺序释放（Release）：保证在释放操作之前的写操作对后续的获取操作可见。

内存顺序序贯一致性（Sequentially Consistent）：提供最强的同步和顺序保证，操作按照程序顺序执行。

std::atomic的操作函数可以通过指定内存顺序参数来控制同步和顺序保证，例如：


std::atomic<int> ai(0);
// 使用Release内存顺序设置值
ai.store(10, std::memory_order_release);
// 使用Acquire内存顺序读取值
int value = ai.load(std::memory_order_acquire);

七、std::atomic与锁的对比

虽然原子操作可以解决一些同步问题，但它们并不能完全替代锁。以下是原子操作与锁的对比：

性能：原子操作通常比锁更轻量级，故而在某些情况下性能更高。

错综性：原子操作通常更简洁，易于明白和维护。

功能：锁提供了更充裕的同步机制，如条件变量、读写锁等。

死锁：使用原子操作不会引起死锁，而锁大概会引起死锁。

八、std::atomic的实际应用

在实际的多线程编程中，std::atomic常用于以下场景：

实现无锁数据结构

实现线程平安的计数器

线程间共享标志位

实现简洁的线程同步机制

以下是一个使用std::atomic实现的线程平安计数器的例子：


#include <atomic>
#include <thread>
#include <vector>
std::atomic<int> counter(0);
void increment() {
    for (int i = 0; i < 1000; ++i) {
        counter.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed);
    }
}
int main() {
    std::vector<std::thread> threads;
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        threads.push_back(std::thread(increment));
    }
    for (auto &t : threads) {
        t.join();
    }
    std::cout << "Counter value is " << counter << std::endl;
    return 0;
}