C++11新特性之线程std::atomic

C++ std::atomic

C++ 中 std::atomic 的定义及功能

std::atomic 是 C++ 标准库中提供的一种模板类，主要用于实现 原子操作，以保证多线程环境下对共享变量的安全操作。它提供了一种无需使用互斥锁即可安全访问共享数据的机制，避免了竞争条件。

特点

1. 线程安全：多个线程同时对同一变量进行读写操作时，std::atomic 保证操作的原子性。
2. 性能优越：相比互斥锁，std::atomic 的性能更优，尤其在读多写少的情况下。
3. 无锁实现：底层通常通过硬件支持的原子操作（如 CAS 操作）实现。

常用操作

1. 原子加载与存储：load() 和 store()
2. 原子交换：exchange()
3. 比较并交换（CAS）：compare_exchange_weak() 和 compare_exchange_strong()
4. 原子加减：fetch_add()、fetch_sub()
5. 内存顺序控制：memory_order

参考代码

下面展示一个使用 std::atomic 的完整例子，演示如何在多线程环境下对共享变量进行安全访问。

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

// 全局原子变量
std::atomic<int> counter(0);

// 工作线程函数
void increment(int num_iterations) {
    for (int i = 0; i < num_iterations; ++i) {
        // 原子递增操作
        counter.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed);
    }
}

int main() {
    const int num_threads = 10;         // 线程数
    const int num_iterations = 1000;   // 每个线程的迭代次数

    // 存储线程对象的容器
    std::vector<std::thread> threads;

    // 创建多个线程
    for (int i = 0; i < num_threads; ++i) {
        threads.emplace_back(increment, num_iterations);
    }

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

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

    return 0;
}

参考代码输出结果

Final counter value: 10000

代码解析

1. 原子变量定义

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

定义一个初始值为 0 的原子整型变量。

2. 原子操作

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

使用 fetch_add 原子递增，第二个参数指定内存顺序（这里使用 memory_order_relaxed 表示不对内存顺序进行额外约束）。

3. 多线程安全

每个线程对 counter 的递增操作是原子的，确保不会出现数据竞争。

4. 结果验证

主线程等待所有子线程完成后，打印 counter 的最终值，应为 num_threads * num_iterations。

输出示例

假设 num_threads = 10，num_iterations = 1000，则程序输出为：

Final counter value: 10000

这种方式比使用锁更高效，且避免了死锁等问题，是多线程编程中的重要工具。