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

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ithorizon 6个月前 (10-21) 阅读数 14 #后端开发

现代C++深入解析：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同步是至关重要的。C++11及以后的版本引入了原子操作（std::atomic），以提供一种无锁编程模型，促使并发编程更为保险和高效。本文将深入解析std::atomic的概念、用法及其在现代C++中的应用。

二、原子操作的概念

原子操作是指在一个操作中完成读取和修改数据的过程，这个过程不会被其他线程中断。在多线程环境中，原子操作可以确保对共享数据的访问是保险的，从而避免了数据竞争和条件竞争。

三、std::atomic的用法

std::atomic是C++11中新增的一个模板类，用于定义原子类型。以下是一些基本用法：


#include <atomic>
#include <iostream>
int main() {
    std::atomic<int> counter(0);
    counter.store(1);  // 显式地存储值
    std::cout << "Counter: " << counter.load() << std::endl;  // 显式地加载值
    return 0;
}

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

枚举类型

结构体和联合体（如果它们只包含原子类型）

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);
// 加载和存储操作
int value = ai.load(std::memory_order_relaxed);
ai.store(1, std::memory_order_relaxed);
// 加法和减法操作
ai.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed);
ai.fetch_sub(1, std::memory_order_relaxed);
// 比较和交换操作
bool success = ai.compare_exchange_strong(value, 1, std::memory_order_relaxed);

六、std::memory_order参数

std::atomic的操作函数通常接受一个std::memory_order参数，用于指定内存排序模型。以下是一些常见的内存排序模型：

std::memory_order_relaxed：不提供任何内存排序保证

std::memory_order_acquire：在读取操作时提供 acquire 语义

std::memory_order_release：在写入操作时提供 release 语义

std::memory_order_acq_rel：同时提供 acquire 和 release 语义

std::memory_order_seq_cst：提供顺序一致性语义

七、std::atomic与锁的比较

与传统的锁（如互斥锁）相比，原子操作提供了一种更轻量级的同步机制。以下是一些原子操作与锁的比较：

性能：原子操作通常比锁更高效，考虑到它们不需要上下文切换和锁的开销。

死锁：原子操作不会促使死锁，考虑到它们不涉及锁的竞争。

复杂化性：原子操作可以简化代码的复杂化性，尤其是对于简洁的同步需求。

八、原子操作的进阶应用

除了基本的同步操作外，原子操作还可以用于实现更高级的并发数据结构，如无锁队列、原子引用计数等。以下是一个使用原子操作实现的无锁引用计数示例：


#include <atomic>
#include <iostream>
class SharedObject {
private:
    std::atomic<size_t> ref_count;
public:
    SharedObject() : ref_count(1) {}
    ~SharedObject() {
        if (ref_count.fetch_sub(1) == 1) {
            delete this;
        }
    }
    void add_ref() {
        ++ref_count;
    }
    bool release() {
        return ref_count.fetch_sub(1) == 1;
    }
};
int main() {
    SharedObject* obj = new SharedObject();
    obj->add_ref();
    if (obj->release()) {
        std::cout << "Object destroyed." << std::endl;
    }
    return 0;
}