C++ 原子变量atomic variable

原子变量

原子变量（atomic variable）是 C++11 引入的一种同步机制，用于在多线程环境中进行无锁的、线程安全的操作。原子变量的操作是不可分割的，即在执行过程中不会被其他线程中断，从而避免了数据竞争和不一致的问题。原子变量位于头文件中。

基本概念

原子性

原子性：一个操作是原子的，意味着它在执行过程中不会被其他线程中断。原子操作要么完全执行，要么完全不执行，不存在部分执行的状态。

数据竞争

数据竞争：当多个线程同时访问同一个内存位置，并且至少有一个线程在写入数据时，就会发生数据竞争。数据竞争可能导致未定义行为和数据不一致。

原子变量的类型

C++ 标准库提供了多种原子类型，包括：

std::atomic：模板类，可以用于任何可复制的类型 T。

特化类型：如 std::atomic_bool、std::atomic_int、std::atomic_uint 等。

基本用法

定义原子变量：

#include <atomic>

std::atomic<int> atomic_int;
std::atomic_bool atomic_bool;

原子操作

原子变量支持多种原子操作，包括：

加载（load）：读取原子变量的值。

存储（store）：写入原子变量的值。

交换（exchange）：将原子变量的值替换为新值，并返回旧值。

比较交换（compare-exchange）：如果原子变量的值等于预期值，则将其替换为新值，并返回操作是否成功。

#include <atomic>
#include <iostream>

int main() {
    std::atomic<int> atomic_int(0);

    // 加载操作
    int value = atomic_int.load();
    std::cout << "Loaded value: " << value << std::endl;

    // 存储操作
    atomic_int.store(42);
    std::cout << "Stored value: " << atomic_int.load() << std::endl;

    // 交换操作
    int old_value = atomic_int.exchange(99);
    std::cout << "Exchanged value: " << old_value << ", new value: " << atomic_int.load() << std::endl;

    // 比较交换操作
    int expected = 99;
    bool success = atomic_int.compare_exchange_strong(expected, 100);
    std::cout << "Compare-exchange result: " << success << ", expected: " << expected << ", new value: " << atomic_int.load() << std::endl;

    return 0;
}

内存顺序

原子操作可以指定内存顺序（memory order），用于控制内存访问的顺序和可见性。C++ 提供了多种内存顺序选项，包括：

std::memory_order_relaxed
特点：最宽松的内存顺序，不保证顺序和可见性。
用途：适用于不需要顺序保证的场景，如简单的计数器。
std::memory_order_consume
特点：保证依赖关系的顺序。
用途：适用于依赖关系的数据依赖场景。
std::memory_order_acquire
特点：保证读取操作的顺序。
用途：适用于读取操作需要顺序保证的场景。
std::memory_order_release
特点：保证写入操作的顺序。
用途：适用于写入操作需要顺序保证的场景。
std::memory_order_acq_rel
特点：同时保证读取和写入操作的顺序。
用途：适用于读取和写入操作都需要顺序保证的场景。
std::memory_order_seq_cst
特点：最严格的内存顺序，保证所有线程看到的操作顺序一致。
用途：适用于需要最强顺序保证的场景。

#include <atomic>
#include <iostream>

int main() {
    std::atomic<int> atomic_int(0);

    // 使用 memory_order_seq_cst 进行存储操作
    atomic_int.store(42, std::memory_order_seq_cst);

    // 使用 memory_order_seq_cst 进行加载操作
    int value = atomic_int.load(std::memory_order_seq_cst);
    std::cout << "Loaded value: " << value << std::endl;

    return 0;
}

示例代码

以下是一个完整的示例，展示了如何在多线程环境中使用原子变量进行线程安全的计数：

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

std::atomic<int> counter(0);

void increment_counter() {
    for (int i = 0; i < 1000; ++i) {
        counter.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed);
    }
}

int main() {
    std::vector<std::thread> threads;

    // 创建多个线程进行计数
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        threads.emplace_back(increment_counter);
    }

    // 等待所有线程完成
    for (auto& t : threads) {
        t.join();
    }

    // 输出最终计数结果
    std::cout << "Final counter value: " << counter.load() << std::endl;

    return 0;
}

Final counter value: 10000