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c++的std::atomic是如何实现无锁编程的? (内存序详解)

裘德小鎮的故事

裘德小鎮的故事

发布时间:2026-01-17 13:23:18

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来源于php中文网

原创

std::atomic 不保证无锁,需运行时调用 is_lock_free() 验证;内存序仅约束重排而非执行顺序;ABA 问题与内存回收是无锁编程核心难点;x86 强序易掩盖错误,ARM 等弱序平台必须显式使用 acquire/release 并核对汇编。

c++的std::atomic是如何实现无锁编程的? (内存序详解)

std::atomic 本身不保证无锁,先查 is_lock_free()

很多人以为 std::atomic 天然无锁,其实它只是“可能无锁”。是否真正无锁,取决于类型大小、平台 ABI 和编译器实现。比如 std::atomic 在 x86-64 上通常是无锁的,但 std::atomic<:shared_ptr>> 很可能退化为内部加锁。

必须运行时验证:

std::atomic x;
if (x.is_lock_free()) {
    // 可安全用于无锁数据结构
} else {
    // 可能触发 mutex,高并发下性能骤降
}

常见陷阱:在 ARM 或某些嵌入式平台,std::atomic 可能不是 lock-free(尤其未开启 -march=armv8.1-a+lse 时),导致意外阻塞。

内存序不是“同步开关”,而是对重排的约束声明

std::memory_order 不控制 CPU 是否执行某条指令,只告诉编译器和 CPU:“这条原子操作前/后的普通访存,允许怎么重排”。错误理解会导致 data race 或逻辑失效。

立即学习C++免费学习笔记(深入)”;

  • std::memory_order_relaxed:仅保证原子性,不约束重排。适合计数器、句柄生成等无需同步语义的场景
  • std::memory_order_acquire:该读操作之后的**所有**普通读写不能被重排到它前面(防止“读后乱序”)
  • std::memory_order_release:该写操作之前的**所有**普通读写不能被重排到它后面(防止“写前乱序”)
  • std::memory_order_acq_rel:同时具备 acquire + release,适用于 read-modify-write(如 fetch_add

典型误用:store(x, relaxed) + load(y, acquire) 无法建立 happens-before —— acquire 的同步对象必须是同一个原子变量的 release store。

无锁编程真正的难点不在原子操作,而在 ABA 与内存回收

即使所有操作都用 compare_exchange_weak + acq_rel,仍可能因 ABA 问题崩溃。例如:线程 A 读到指针 p,被抢占;线程 B 将 *p 释放、再分配同一地址给新对象;线程 A 恢复并成功 CAS,却误认为状态未变。

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解决 ABA 不能靠加锁,而需版本号或 hazard pointer 等机制:

struct Node {
    int data;
    std::atomic next_with_tag; // 低 2 位存 tag,防 ABA
};

更隐蔽的问题是内存回收:无锁结构中节点被“逻辑删除”后,不能立即 delete,否则其他线程可能正 dereference 它。需要 epoch-based reclamation 或 RCU 等延迟回收方案 —— 这部分完全不在 std::atomic 职责范围内。

x86 和 ARM 的内存序差异会直接暴露逻辑漏洞

x86 的强内存模型掩盖了很多错误:即使全用 relaxed,多数无锁代码也能“碰巧”跑通。但换到 ARM/AArch64,storeload 可能跨多个 cycle 乱序,relaxed 就极易出错。

关键点:

  • x86 隐含 lfence/sfence 效果,acquire/release 常编译为空指令
  • ARM 需显式 ldar/stlr 指令,relaxed 可能生成无 barrier 的 ldr/str
  • Clang/GCC 在不同 target 下对同一内存序生成的指令完全不同,必须用 objdump -d 实际核对

跨平台无锁代码必须显式使用 acquire/release(而非依赖 x86 强序),且在 ARM 上务必检查汇编输出 —— 光靠测试通过没用,硬件行为才是最终裁判。

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