std::atomic
在 C++11 中，<atomic> 头文件提供了 std::atomic 类模板，用于实现原子操作和无锁编程。std::atomic 允许在多线程环境下进行线程安全的操作，避免了使用互斥锁的开销，从而提高了性能。
1. 基本概念
std::atomic 提供了一种用于原子操作的机制，这些操作是在多线程环境中无锁、安全的。原子操作意味着在操作执行的过程中，数据不会被其他线程中断或修改，确保了数据的一致性和线程安全。
1.1 原子类型
std::atomic 支持多种基本数据类型，包括 int、unsigned int、long、bool、pointer 等。它也支持一些高级数据类型，如自定义结构体和类，只要它们满足某些条件。
#include <iostream>
#include <atomic>
#include <thread>
std::atomic<int> counter(0);
void increment() {
for (int i = 0; i < 1000; ++i) {
++counter; // 原子递增操作
}
}
int main() {
std::thread t1(increment);
std::thread t2(increment);
t1.join();
t2.join();
std::cout << "Counter: " << counter << std::endl; // 输出: Counter: 2000
return 0;
}
2. 常用操作
2.1 基本操作
- 加载 (
load): 获取std::atomic对象的当前值。
int value = counter.load();
- 存储 (
store): 将一个新值存储到std::atomic对象中。
counter.store(10);
- 交换 (
exchange): 将std::atomic对象的值替换为新值，并返回旧值。
int oldValue = counter.exchange(20);
- 比较并交换 (
compare_exchange_weak和compare_exchange_strong): 用于实现原子性的比较和替换操作。compare_exchange_weak更适合于在循环中使用，因为它可能会失败。
int expected = 10;
int desired = 20;
if (counter.compare_exchange_weak(expected, desired)) {
std::cout << "Swap succeeded!" << std::endl;
} else {
std::cout << "Swap failed!" << std::endl;
}
2.2 原子算术操作
- 加 (
fetch_add): 将指定的值加到std::atomic对象上，并返回原来的值。
int oldValue = counter.fetch_add(5);
- 减 (
fetch_sub): 从std::atomic对象中减去指定的值，并返回原来的值。
int oldValue = counter.fetch_sub(3);
3. 内存序
std::atomic 支持内存序（memory ordering）以控制原子操作的顺序和可见性。常见的内存序包括：
std::memory_order_relaxed: 不提供同步和顺序保证，仅保证原子性。std::memory_order_consume: 保证从当前操作到依赖于它的操作的顺序，但具体语义可能取决于编译器。std::memory_order_acquire: 保证在该操作之前的所有读取操作对其他线程是可见的。std::memory_order_release: 保证在该操作之后的所有写入操作对其他线程是可见的。std::memory_order_acq_rel: 同时具有 acquire 和 release 的效果。std::memory_order_seq_cst: 提供最强的同步保证，确保所有线程都能看到所有的原子操作。
counter.store(5, std::memory_order_relaxed);
int value = counter.load(std::memory_order_acquire);
4. 使用场景
- 计数器: 用于实现无锁的计数器和计数管理。
- 标志位: 用于实现标志位或状态指示器。
- 无锁数据结构: 用于实现无锁队列、栈等复杂的数据结构。
- 状态更新: 在高并发环境中安全地更新共享状态。
5. 最佳实践
- 选择合适的内存序: 根据具体的同步要求选择合适的内存序，以确保程序的正确性和性能。
- 避免复杂操作:
std::atomic的操作应尽量简单，以避免由于复杂的原子操作带来的潜在性能问题。 - 合理使用: 在高并发环境中，合理使用原子操作可以提高性能，但过度使用也可能带来复杂性和维护问题。对于更复杂的同步需求，考虑使用互斥锁和条件变量。
6. 总结
std::atomic 提供了一种高效的方式来实现线程安全的操作，避免了传统锁机制的开销。通过理解并正确使用原子操作，可以在多线程编程中实现更高效的同步机制，从而提高程序的性能和响应能力。