C++ std::atomic 原子操作

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引言

在C++中，std::atomic 是标准库中的一个模板类，用于提供原子操作。原子操作是指在多线程环境下，当多个线程尝试同时访问和修改共享数据时，能够保证数据的完整性和一致性的单个操作。std::atomic 通过确保操作的原子性，来避免竞态条件和数据竞争。

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重要性

在多线程程序中，如果多个线程同时读写同一内存位置，可能会导致数据不一致的问题。

std::atomic 提供了一系列原子类型，如 std::atomic<int>、std::atomic<long>、std::atomic<bool> 等，以及对它们的原子操作，如加载（load）、存储（store）、交换（exchange）、增加（fetch_add）等。

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基本用法

原子操作类型：

• 加载（Load）：load() 方法原子地读取变量的值。
• 存储（Store）：store() 方法原子地将一个值写入变量。
• 交换（Exchange）：exchange() 方法原子地交换变量的值。
• 增加（Fetch Add）：fetch_add() 方法原子地增加变量的值，并返回增加前的值。
• 减少（Fetch Sub）：fetch_sub() 方法原子地减少变量的值，并返回减少前的值。
• 比较并交换（Compare and Exchange）：compare_exchange_weak() 或 compare_exchange_strong() 方法原子地进行比较并交换操作。

#include <atomic> // 头文件


std::atomic<int> atomicVar(0); // 初始化原子变量


// 原子地增加 atomicVar 的值
atomicVar.fetch_add(1);


// 原子地读取 atomicVar 的值
int value = atomicVar.load();


// =============================


std::atomic<int> data(100);


int current_value = data.load();  // 原子地加载 data 的值到 current_value
data.store(200);                  // 原子地将 200 存储到 data

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示例

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


std::atomic<int> counter(0); // 使用原子变量来计数


void incrementCounter() {
    for (int i = 0; i < 1000; ++i) {
        counter.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed); // 原子增加
    }
}


int main() {
    std::thread t1(incrementCounter);
    std::thread t2(incrementCounter);


    t1.join();
    t2.join();


    std::cout << "Final counter value: " << counter.load() << std::endl; // 输出计数结果
    return 0;
}

在这个示例中，我们创建了一个原子计数器 counter，并启动了两个线程，每个线程对计数器执行1000次增加操作。由于使用了原子操作，最终的计数结果是准确的。

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小结

std::atomic 是C++11及以后版本中多线程编程的重要特性，使用 std::atomic 的关键步骤包括包含相关的头文件、声明和初始化原子变量、执行原子操作以及选择适当的内存顺序。通过使用适当的成员函数和操作符，可以实现原子操作，并确保操作的完整性和一致性。同时，需要根据需求选择适当的内存顺序来控制操作的顺序和可见性。

std::atomic 的操作通常需要指定内存顺序memory order,如 std::memory_order_relaxed/std::memory_order_acquire/std::memory_order_release 等，以确保操作的原子性和内存一致性。

原子操作的性能开销通常比非原子操作高，需谨慎使用。