9 —— 原子操作std::atomic

最新推荐文章于 2025-04-14 16:23:00 发布

baboon_chen

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分类专栏： C++并发

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本文探讨了在多线程环境中使用原子操作确保数据一致性的重要性。通过对比互斥量和原子变量，阐述了原子操作如何在提高并发性能的同时，避免线程间的竞争条件。文章还讨论了原子操作的限制及其在C++中的实现。

一原子操作概念引出范例

#include <iostream>
#include <thread>

using namespace std;

int g_count = 0; // 定义一个全局量，供两个线程同时访问

void mythread()	//	线程入口函数
{
	for (int i = 0; i < 10000000; i++)
	{
		g_count++;
	}
}

int main()
{
	std::thread mytask1(mythread);
	std::thread mytask2(mythread);
	mytask1.join();
	mytask2.join();

	cout << "两个线程执行完毕，最终g_count的值是：" << g_count << endl;

	getchar();
	return 0;
}

输出结果：
	12171204     //	运行第一次结果
	12125050	//	运行第一次结果
	14455315	//	运行第一次结果

我们原本想要输出结果为2000 0000，但是因为两个线程竞争，导致输出结果不对。
修改如下：我们可以用互斥量来保护共享数据。

std::mutex g_mutex;

void mythread()	//	线程入口函数
{
	for (int i = 0; i < 10000000; i++)
	{
		g_mutex.lock();
		g_count++;
		g_mutex.unlock();
	}
}

我们可以用互斥量来保护共享数据，但是由于锁的粒度，频繁的加锁解锁。输出结果的时间耗费了5-6秒的时间。那有什么办法可以提高老运行效率吗？这时就可以用上原子操作了。

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

using namespace std;

atomic<int> g_count = 0; // 定义一个全局量，供两个线程同时访问

void mythread()	//	线程入口函数
{
	for (int i = 0; i < 10000000; i++)
	{
		g_count++;
	}
}



int main()
{
	std::thread mytask1(mythread);
	std::thread mytask2(mythread);
	mytask1.join();
	mytask2.join();

	cout << "两个线程执行完毕，最终g_count的值是：" << g_count << endl;

	getchar();
	return 0;
}

耗时省了一半，用了2-3秒。

什么是原子操作？
原子操作是指“不可分割的操作”，可以看成是一种多线程无锁编程技术。atomic是一个类模板，参数是变量的类型。通过将变量声明成原子变量，则可以保证，在多线程中，每当访问原子变量时，它的值是最新的值。它同互斥量一样，都保护了数据。但是互斥量保护的是一个代码段，可以保护更多的操作。而原子变量是保护一个变量被多个线程同时访问时，这个变量是最新的值。而不会因为线程间不同步导致结果出错。

二原子操作注意事项

一般原子操作对{ ++， --， +=， &=， ^=， |= … }这些运算符是支持的，其它的可能不支持。

void mythread()	//	线程入口函数
{
	for (int i = 0; i < 10000000; i++)
	{
		g_count++;	// 结果正确
		//g_count += 1; // 结果正确
		//g_count = g_count + 1; // 结果不对
	}
}

std::atomic不支持拷贝赋值运算

std::atomic<int> atm2 = atm;	//	错误,atomic不支持赋值赋值运算， 但是atm2 = 3 可以。

std::atomic<int> atm2(atm.load());	//	正确，以原子方式读atm的值

atm.store(2);	//	正确，以原子方式写atm的值

cout << atm << endl;	
//	读atm的值是原子操作，但这整句不是原子操作，它要将atm值写入到输出流中，不能保证缓存中都是最新的atm的值。