C++并发编程中std::atomic的使用限制与内存排序-优快云博客

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背景简介

C++中的std::atomic类型提供了一种避免数据竞争并确保线程间操作排序的方式。本章深入探讨了std::atomic在使用上的限制，以及如何通过内存排序选项来强制执行线程间的操作顺序。

标题1：std::atomic的使用限制

限制原因 ：从第3章的原则出发，不应将指向受保护数据的指针和引用传递到锁的范围之外。std::atomic 通常无法生成无锁代码，因此需要使用内部锁，这可能会导致死锁或性能问题。
类型限制 ：std::atomic不支持用户定义的类型(std::atomic )，但可以使用std::atomic_bool的所有操作。对于复杂的数据结构，建议使用std::mutex进行适当的保护。
接口限制 ：对于用户定义的类型T，std::atomic 的接口仅限于load(), store(), exchange(), compare_exchange_weak(), compare_exchange_strong()以及赋值和转换操作。

子标题：自由函数与成员函数的对比

自由函数提供了类似std::atomic的成员函数操作，但设计上与C语言兼容，使用指针而非引用。例如，std::atomic_load_explicit()与a.load(std::memory_order_acquire)功能相同。
对于std::atomic_flag的操作，如test_and_set()和clear()，明确指出了“flag”部分，反映了其特殊性。

标题2：同步操作与内存排序

happens-before关系 ：在单线程中，操作顺序是有序的，而在多线程中，inter-thread happens-before关系确保了跨线程的操作顺序。
synchronizes-with关系 ：定义了原子类型操作间的关系，是线程间同步的基础。一个线程中的写操作可以与另一个线程中的读操作同步。
内存排序选项 ：包括memory_order_relaxed, memory_order_consume, memory_order_acquire, memory_order_release, memory_order_acq_rel, 和 memory_order_seq_cst。其中，memory_order_seq_cst是默认选项，保证了操作的全局排序。

子标题：内存排序选项的细节

顺序一致性 ：memory_order_seq_cst提供了最严格的排序保证，但可能影响性能。
获取-释放排序 ：memory_order_consume, memory_order_acquire, memory_order_release, memory_order_acq_rel提供了更灵活的同步方式。
宽松排序 ：memory_order_relaxed允许对原子操作的最大灵活性，但不保证操作间的同步。

总结与启发

通过本章的学习，我们了解到std::atomic在提供线程间操作顺序保证的同时，也有其使用的限制。理解这些限制和内存排序选项对于编写高效且正确的多线程程序至关重要。开发者在利用std::atomic进行同步操作时，应仔细考虑选择合适的内存排序选项，以达到既定的性能和正确性目标。此外，对于更复杂的用户定义类型，std::mutex提供了更加灵活的保护机制。