17.原子操作是什么？

原创于 2025-04-27 08:00:00 发布 · 506 阅读

5 ·

CC 4.0 BY-SA版权

文章标签：

#开发语言 #c++

c++八股文专栏收录该内容

21 篇文章

订阅专栏

在C++中，原子操作（Atomic Operation） 是不可分割的最小执行单元，能够保证在多线程环境下对共享数据的操作不会出现中间状态，从而避免竞态条件（Race Condition）。其底层实现结合了硬件支持和编译器优化。

一、原子操作的核心特性

不可分割性 操作要么完全执行，要么不执行，其他线程无法观察到中间状态。示例：

std::atomic<int> x = 0;
x.fetch_add(1); // 原子性递增，不会被其他线程打断

内存顺序控制 通过内存屏障（Memory Barrier）约束指令重排序，保证多线程间的可见性。 *内存序选项：
- memory_order_relaxed（无顺序约束）
- memory_order_acquire（读操作前的指令不能重排到读之后）
- memory_order_release（写操作后的指令不能重排到写之前）
- memory_order_seq_cst（严格顺序一致性，默认选项）

二、原子操作的硬件实现

1. CPU指令级支持

x86架构：
- LOCK 前缀指令（如 LOCK XCHG）锁定总线，确保原子性。
- 现代CPU通过缓存一致性协议（如MESI）优化，避免总线锁定。

; x86原子递增示例
lock add dword [rdi], 1  ; 原子性增加内存中的值

ARM架构：使用 LDREX（加载-独占）和 STREX（存储-独占）指令实现原子操作：

retry:
  ldrex r0, [r1]      ; 独占加载
  add r0, r0, #1      ; 修改值
  strex r2, r0, [r1]  ; 尝试独占存储
  cmp r2, #0          ; 判断是否成功
  bne retry           ; 失败则重试

2. 缓存一致性协议

MESI协议：通过标记缓存行状态（Modified/Exclusive/Shared/Invalid），确保多核CPU对同一内存位置的原子操作可见性。

三、C++中的原子操作实现

1. 编译器与库的协作

编译器优化：将C++原子操作（如 std::atomic::load/store）转换为底层硬件指令。
无锁实现：若硬件不支持特定原子操作（如双字CAS），编译器可能通过重试循环模拟。

2. 示例：自旋锁实现

class SpinLock {
    std::atomic<bool> flag{false};
public:
    void lock() {
        bool expected = false;
        while (!flag.compare_exchange_weak(expected, true, 
               std::memory_order_acquire, std::memory_order_relaxed)) {
            expected = false; // CAS失败后重置expected
        }
    }
    void unlock() {
        flag.store(false, std::memory_order_release);
    }
};

四、原子操作 VS 非原子操作

1. 非原子操作的风险

int x = 0; // 非原子变量
x++;       // 编译为多条指令：LOAD → ADD → STORE

多线程执行时可能发生交错：

Thread1: LOAD x (0) → ADD → STORE x (1)
Thread2: LOAD x (0) → ADD → STORE x (1)

最终结果可能为1（期望为2）。

2. 原子操作的优势

std::atomic<int> x{0};
x.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed); // 保证结果正确

五、原子操作的适用场景

无锁数据结构：队列、栈、计数器等。
标志位控制：线程退出标志、状态标记。
性能优化：替代互斥锁，减少上下文切换开销。

六、性能注意事项

缓存行争用：频繁修改同一缓存行的原子变量会导致性能下降（伪共享）。 解决方案：

struct alignas(64) AlignedAtomic { // 64字节对齐（缓存行大小）
    std::atomic<int> x;
};

内存序选择：宽松内存序（relaxed）可提升性能，但需谨慎处理依赖关系。

总结

原子操作的底层本质是：

硬件原子指令（如x86的LOCK前缀、ARM的LDREX/STREX）
缓存一致性协议（如MESI）
编译器与操作系统的协作
理解原子操作是掌握多线程编程、无锁编程和同步机制（如锁、信号量）的基础。