C++如何使用原子操作(atomic)_C++ 原子操作方法

尼克

发布时间：2025-10-26 17:48:01

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原创

std::atomic 提供原子操作避免数据竞争，支持基础类型变量的线程安全访问。通过 store、load、exchange 和 compare_exchange_weak 等方法实现安全读写，常用于计数器和无锁编程；配合 memory_order 可精细控制内存同步行为，提升性能。

c++如何使用原子操作(atomic)_c++ 原子操作方法

在多线程编程中，数据竞争是常见问题。C++ 提供了 std::atomic 来保证对变量的操作是原子的，避免竞态条件。它位于 red"> 头文件中，适用于布尔值、整数、指针等基础类型。

1. 基本用法：声明和初始化原子变量

使用 std::atomic 模板定义原子变量，T 通常是 int、bool、指针等可支持原子操作的类型。

示例：

#include 
#include 

std::atomic counter(0);  // 初始化为 0
std::atomic ready(false);

也可以在运行时赋值：

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counter = 10;
ready.store(true);  // 显式写入

2. 常用原子操作方法

std::atomic 提供了多个成员函数来安全地读写数据。

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store(value)：原子地写入值
load()：原子地读取值
exchange(value)：设置新值，并返回旧值
compare_exchange_weak(expected, desired)：比较并交换（CAS），常用于无锁编程
fetch_add(), fetch_sub()：原子加减，返回旧值
++, --：支持自增自减操作符

示例代码：

#include 
#include 
#include 

std::atomic count(0);

void increment() {
    for (int i = 0; i < 1000; ++i) {
        count.fetch_add(1);  // 原子增加
        // 或者直接使用 ++count;
    }
}

int main() {
    std::vector threads;
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        threads.emplace_back(increment);
    }

    for (auto& t : threads) {
        t.join();
    }

    std::cout << "Final count: " << count.load() << "\n";
    return 0;
}

3. compare_exchange_weak 使用示例

这是实现无锁算法的核心操作。它检查当前值是否等于 expected，如果是，则设为 desired；否则将当前值写回 expected。

std::atomic val(0);

int expected = 0;
if (val.compare_exchange_weak(expected, 100)) {
    std::cout << "Change successful: " << val.load() << "\n";
} else {
    std::cout << "Change failed, current value is " << expected << "\n";
}

常用于循环中重试：

int expected = val.load();
do {
    // 修改 expected 的值
} while (!val.compare_exchange_weak(expected, new_value));

4. 内存顺序（Memory Order）

每个原子操作可以指定内存顺序，控制操作的同步和排序行为。常用选项包括：

memory_order_relaxed：最弱约束，仅保证原子性
memory_order_acquire：读操作，确保后续读写不被重排到它前面
memory_order_release：写操作，确保前面的读写不被重排到它后面
memory_order_acq_rel：acquire + release
memory_order_seq_cst：默认，最强一致性，所有线程看到相同顺序

示例：

counter.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed);
ready.store(true, std::memory_order_release);
bool status = ready.load(std::memory_order_acquire);

基本上就这些。std::atomic 是编写高效、线程安全代码的重要工具，尤其适合计数器、状态标志、无锁结构等场景。正确使用能避免锁开销，但需注意内存顺序的合理选择。

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