C++原子操作使用 memory_order内存序

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发布时间：2025-09-01 09:50:02

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原创

内存序是C++原子操作中控制内存访问顺序的枚举值，用于保证线程安全并提升性能。常用内存序包括memory_order_relaxed（仅保证原子性）、memory_order_acquire（读操作后不重排）、memory_order_release（写操作前不重排）、memory_order_acq_rel（兼具 acquire 和 release）和memory_order_seq_cst（默认强一致）。使用场景包括：计数器用relaxed、线程间同步用acquire-release、需全局顺序时用seq_cst。选择原则是在正确性前提下使用最弱内存序，避免不必要的性能开销。

c++原子操作使用 memory_order内存序

在C++多线程编程中，原子操作（

std::atomic

）是实现线程安全的重要工具。而内存序（

memory_order

）则控制原子操作周围的内存访问顺序，影响性能和正确性。合理使用内存序可以在保证程序正确的同时提升效率。

memory_order 是什么？

内存序是C++原子操作中用于指定同步语义的枚举值，定义在

头文件中。它决定了原子操作如何与其它内存操作（包括原子和非原子）进行排序，防止编译器和CPU重排序带来的问题。

常用的内存序包括：

memory_order_relaxed：最弱的顺序，仅保证原子性，不提供同步或顺序约束。
memory_order_acquire：用于读操作，保证该操作之后的读写不会被重排到该操作之前。
memory_order_release：用于写操作，保证该操作之前的读写不会被重排到该操作之后。
memory_order_acq_rel：同时具备 acquire 和 release 语义，常用于读-修改-写操作。
memory_order_seq_cst：默认顺序，提供全局顺序一致性，最安全但也最慢。

不同 memory_order 的使用场景

选择合适的内存序取决于你的同步需求。以下是常见场景和推荐用法：

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1. 使用 memory_order_relaxed 计数器

当你只需要原子性，而不需要同步其他内存操作时，可以用 relaxed 模型。例如统计事件次数：

std::atomic counter{0};

void increment() {
    counter.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed);
}

int get_count() {
    return counter.load(std::memory_order_relaxed);
}

这里不涉及共享数据的同步，relaxed 足够且高效。

2. acquire-release 实现线程间同步

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当你需要一个线程写入数据，另一个线程读取时，可用 release-acquire 模型实现同步：

std::atomic ready{false};
int data = 0;

// 线程1：写入数据并设置标志
void producer() {
    data = 42;  // 写共享数据
    ready.store(true, std::memory_order_release);  // release：确保 data 写入在前
}

// 线程2：等待标志并读取数据
void consumer() {
    while (!ready.load(std::memory_order_acquire)) {  // acquire：确保后续读取能看到 data
        // 等待
    }
    // 此时 data 一定是 42
    printf("data = %d\n", data);
}

release 保证 store 之前的写不会被重排到 store 之后，acquire 保证 load 之后的读不会被重排到 load 之前，从而确保 data 的正确读取。

3. memory_order_seq_cst：默认的强一致性

这是所有原子操作的默认内存序。它提供最直观的行为：所有线程看到的原子操作顺序是一致的。

std::atomic x{0}, y{0};

// 线程1
x.store(1, std::memory_order_seq_cst);

// 线程2
y.store(1, std::memory_order_seq_cst);

// 线程3
if (x.load(std::memory_order_seq_cst) == 1 && y.load() == 0) {
    // 其他线程不会同时看到 y == 0
}

seq_cst 像所有原子操作被串行执行，适合对正确性要求高、性能要求不极端的场景。