C++ atomic 原子操作

一、原子操作简介

在多线程编程中，通常我们需要多个线程共享数据。但如果不加以控制，多个线程同时访问同一数据，可能会导致数据不一致或竞争条件（race conditions）。为了解决这个问题，我们引入了 原子操作。

原子操作 是指在执行时不会被中断、打断或修改的操作。换句话说，原子操作要么完全执行，要么完全不执行，不会在中间被其他线程的操作干扰。这种特性对于多线程环境中的数据访问是至关重要的。

C++11 引入了 <atomic> 库，它提供了对原子操作的支持。通过这个库，我们可以确保在多线程环境中对数据的访问不会导致竞争条件。

二、C++ 原子操作的基本概念

在 C++ 中，原子操作的关键是 原子类型（atomic types）。原子类型是由 std::atomic 模板类提供的，它包装了一个类型，确保对该类型的所有操作（如读取、写入、更新等）都是原子的。

关键概念

1. 原子类型 (std::atomic)：可以包装任何基本类型（如 int、bool、float 等），并保证对这些类型的操作是原子的。
2. 原子操作：对原子变量的操作是不可分割的，意味着在多线程中不会被打断。
3. 原子变量：一个变量可以被声明为原子类型（如 std::atomic<int>），它保证在多线程环境下对该变量的操作是安全的。

常用的原子操作

1. load：读取原子变量的值。
2. store：将一个值存储到原子变量中。
3. exchange：将原子变量的值替换为一个新值，并返回旧值。
4. compare_exchange_weak / compare_exchange_strong：原子地进行条件交换操作。若当前值等于预期值，则交换新值。
5. fetch_add / fetch_sub：原子地执行加法或减法操作，并返回旧值。

三、std::atomic 类模板

std::atomic 是一个模板类，可以用于包装基础数据类型，确保对该数据类型的所有操作都是原子性的。

基本使用

#include <iostream>
#include <atomic>
#include <thread>
#include <vector>
using namespace std;

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

void increment() {
   
   
    for (int i = 0; i < 100000; ++i) {
   
   
        counter.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed);  // 原子递增
    }
}

int main() {
   
   
    std::vector<std::thread> threads;
    for (int i = 0; i < 4; ++i) {
   
   
        threads.push_back(std::thread(increment));  // 启动4个线程
    }

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

    cout << "Counter value: " << counter.load() << endl;  // 输出最终结果
    return 0;
}

常用原子操作的详细介绍

1. load() 和 store()

• load()：从原子变量读取值。
• store()：将值存储到原子变量中。

std::atomic<int> a(