c++中的原子操作atomic是什么_c++无锁编程入门

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发布时间：2025-11-30 13:27:55

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atomic是C++中通过std::atomic模板类实现共享变量原子操作的机制，保证读写不可分割，避免数据竞争；它支持load、store、exchange、compare_exchange_weak/strong、fetch_add/sub等原子函数，其中CAS操作可用于实现无锁计数器、栈等结构；相比mutex，atomic结合CAS可避免锁带来的阻塞与开销，实现无锁编程；默认使用std::memory_order_seq_cst内存序确保全局顺序，也可按需指定memory_order_relaxed、acquire/release等弱内存序优化性能，但需注意同步正确性。

c++中的原子操作atomic是什么_c++无锁编程入门

原子操作（atomic）是C++中实现线程安全操作的基础工具之一，特别适用于多线程环境下对共享变量的读写控制。它能保证某个操作在执行过程中不会被其他线程中断，从而避免数据竞争（data race），是无锁编程（lock-free programming）的核心组成部分。

什么是 atomic？

在C++中，std::atomic 是一个模板类，用于封装某种类型的变量（如 int、bool、指针等），使其操作具有原子性。这意味着对该变量的读、写或修改操作是不可分割的——其他线程不会看到中间状态。

例如：

std::atomic counter{0};
void increment() {
for (int i = 0; i < 1000; ++i) {
counter.fetch_add(1); // 原子加法
}
}

多个线程同时调用 increment() 不会导致计数错误，因为 fetch_add 是原子操作。

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常见的原子操作函数

std::atomic 提供了多种成员函数来完成不同的原子操作：

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() 和 compare_exchange_strong()：比较并交换（CAS），是实现无锁结构的关键
fetch_add()、fetch_sub()：原子加减

CAS 操作典型用法：

std::atomic value{10};
int expected = 10;
bool success = value.compare_exchange_strong(expected, 20);
// 如果 value 当前为 10，则设为 20，返回 true
// 否则不改变 value，将 actual 写入 expected，返回 false

为什么使用 atomic 能实现无锁编程？

传统多线程同步常依赖互斥量（mutex），但锁会带来开销：阻塞、上下文切换、死锁风险。而基于 atomic 的无锁编程通过 CAS 等原子指令，在不使用锁的前提下协调线程访问共享资源。

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比如实现一个简单的无锁计数器或无锁栈，都可以借助 atomic + CAS 循环完成：

std::atomic top{nullptr};
void push(int* node) {
do {
node->next = top.load();
} while (!top.compare_exchange_weak(node->next, node));
}

这段代码尝试将新节点压入栈顶，若期间有其他线程修改了 top，则循环重试，直到成功。整个过程无需加锁。

注意事项与内存序

默认情况下，atomic 操作使用最强的内存序 std::memory_order_seq_cst，保证操作全局有序，安全性高但可能影响性能。

你可以显式指定更弱的内存序来优化性能，如：

memory_order_relaxed：只保证原子性，不保证顺序
memory_order_acquire / memory_order_release：用于线程间同步，控制内存访问顺序

例如计数用途可用 relaxed：

counter.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed);

但涉及同步逻辑时仍建议使用默认 seq_cst，避免出错。

基本上就这些。掌握 atomic 是进入 C++ 无锁编程的第一步，理解其行为和限制，才能写出高效又正确的并发代码。

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