C++ mutex和std::atomic性能比较

本文通过两个示例对比了C++中std::atomic与mutex在多线程环境下的性能差异,实测std::atomic比mutex效率高近一倍,且不涉及内核态切换。

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C++ mutex和std::atomic性能比较

  1. 使用mutex进行访问控制,mutex.c
//方案1:mutex锁保证线程安全
#include<thread>
#include<iostream>
#include<mutex>
using namespace std;

mutex m;
const int N=1e6;
int n;

void increase_n()
{
    for(int i=0;i<N;i++)
    {
        m.lock();
        ++n;
        m.unlock();
    }
}

int main()
{
    thread t1(increase_n);
    thread t2(increase_n);

    t1.join();
    t2.join();

    cout<<n<<endl;
    return 0;
}
  1. 使用std::atomic进行访问控制
//方案2:用原子变量来保证线程安全
#include<thread>
#include<iostream>
#include<atomic>
using namespace std;

const int N=1e6;
atomic<int> n(0);

void increase_n()
{
    for(int i=0;i<N;i++)
    {
        ++n;
    }
}

int main()
{
    thread t1(increase_n);
    thread t2(increase_n);

    t1.join();
    t2.join();

    cout<<n<<endl;
    return 0;
}
  1. 进行测试,两个demo都使用GCC O2编译,然后使用time命令进行测试:
    在这里插入图片描述
    结果非常明显,使用std::atomic比mutex效率要高出快一倍,并且没有内核态的参与。

注:上面两个demo来源自网络,并非原创。

### C++ 中多线程编程的支持 #### std::thread 的基本用法 `std::thread` 是 C++11 引入的标准库组件之一,用于创建管理线程。它可以轻松启动一个新的线程来执行指定的任务函数。 以下是 `std::thread` 的简单示例: ```cpp #include <iostream> #include <thread> void thread_function() { std::cout << "This is a new thread." << std::endl; } int main() { std::thread t(thread_function); if (t.joinable()) { t.join(); // 等待子线程完成 } return 0; } ``` 在这个例子中,主线程会等待新创建的线程结束之后再继续运行[^2]。 --- #### std::mutex 的作用与实现方式 为了保护共享资源不被多个线程同时访问而导致数据竞争问题,C++ 提供了互斥量(`std::mutex`)。通过锁定机制防止其他线程进入临界区直到当前线程释放锁为止。 下面是一个使用 `std::mutex` 来保护全局变量的例子: ```cpp #include <iostream> #include <thread> #include <mutex> std::mutex mtx; // 定义一个互斥对象 int shared_variable = 0; void increment_with_mutex(int id) { for (int i = 0; i < 5; ++i) { std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); // 自动获取并释放锁 ++shared_variable; std::cout << "Thread ID: " << id << ", Value: " << shared_variable << std::endl; } } int main() { std::thread t1(increment_with_mutex, 1); std::thread t2(increment_with_mutex, 2); t1.join(); t2.join(); return 0; } ``` 这里展示了如何利用 `std::lock_guard` 对象简化手动调用 `lock()` `unlock()` 方法的过程[^2]。 --- #### std::atomic 的概念及其优势 当只需要确保某些特定类型的单个操作具有原子性时,可以考虑采用更轻量级的选择——`std::atomic` 类型。相比起传统意义上的锁机制来说效率更高一些因为它们通常不会涉及操作系统级别的上下文切换开销。 例如,在计数器场景下可以直接应用如下代码片段替代之前提到过的基于互斥锁版本: ```cpp #include <iostream> #include <thread> #include <atomic> std::atomic<int> atomic_counter(0); void increment_atomic() { for (size_t i = 0; i < 1000; ++i) { atomic_counter.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed); } } int main(){ const size_t num_threads = 8; std::vector<std::thread> threads(num_threads); for(auto& th : threads){ th=std::thread(increment_atomic); } for(auto& th : threads){ th.join(); } std::cout<<"Final counter value:"<<atomic_counter<<'\n'; return 0; } ``` 此程序段说明即使存在大量并发修改也不会破坏最终结果的一致性准确性[^3]. --- ### 总结 以上分别介绍了三种主要针对不同需求设计出来的同步手段:如果只是想让一段代码块只允许单一时刻只有一个活跃实例去执行那么就选用 Mutex;而对于那些仅仅关心某个单独数值变化情况则推荐 Atomic 。每种方法都有各自适用范围以及优缺点所以在实际开发过程中应该依据具体情况做出最佳决策[^1]。
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