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C++中atomic原子变量怎么用_C++无锁编程基础入门指南【优化】

尼克

尼克

发布时间:2026-02-08 14:23:22

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来源于php中文网

原创

std::atomic变量必须用load()/store()或原子操作符读写,不可直接赋值;初始化推荐{}语法;内存序按需选择relaxed/release-acquire/seq_cst;仅支持trivially copyable且尺寸适配的类型;compare_exchange_weak需循环重试。

c++中atomic原子变量怎么用_c++无锁编程基础入门指南【优化】

atomic 的初始化和基本读写操作

直接用 std::atomic 声明变量后,不能像普通变量那样用 = 赋值或读取——它会编译失败。必须显式调用 load()store(),或者用 operator++ 等重载接口(仅对整型、指针等特化类型可用)。

  • std::atomic counter{0}; 是安全的零初始化;但 std::atomic counter = 0; 在某些旧编译器上可能触发隐式转换警告
  • 读取推荐用 counter.load(std::memory_order_relaxed),不加参数默认是 seq_cst,开销大且常不必要
  • 写入用 counter.store(42, std::memory_order_release),避免直接赋值 counter = 42(虽能编译,但语义模糊,易误导)
  • 自增操作可直接写 ++countercounter.fetch_add(1),后者返回旧值,更利于无锁逻辑判断

memory_order 选哪个?别一上来就用 seq_cst

std::memory_order_seq_cst 是最严格、最慢的内存序,也是所有原子操作的默认值。但它在多数场景中属于“过度同步”——比如生产者只写、消费者只读的单向通信,release/acquire 就够了。

  • 纯计数器累加(无依赖其他变量):用 relaxed 即可,性能接近普通变量
  • 标志位通知(如 ready_flag.store(true, release) 配合 ready_flag.load(acquire)):必须成对使用 release/acquire,才能保证之前写的非原子数据对另一线程可见
  • 需要全局顺序一致的多变量协同(如双链表插入+计数更新):才考虑 seq_cst,但要意识到它会强制刷新 store buffer,可能拖慢整个 core

哪些类型能塞进 atomic?别硬塞自定义结构体

std::atomic 只支持 平凡可复制(trivially copyable)大小不超过平台最大原子宽度 的类型。x86-64 通常是 16 字节,但实际支持因编译器而异。

  • 内置类型(intlong long、指针)基本都行;std::shared_ptr 有特化版本,可用
  • std::atomic<:string> 编译失败——std::string 非 trivial,且动态分配内存
  • 自定义 struct 若含虚函数、非 trivial 构造/析构、或成员含 non-trivial 类型(如 std::vector),一律不可原子化
  • 想原子更新多个字段?别打包 struct,改用 std::atomic 手动位拆分,或用 compare_exchange_weak 循环 CAS

compare_exchange_weak 为什么总要写在 while 循环里?

compare_exchange_weak 可能因底层硬件原因“伪失败”(spuriously fail),即当前值确实等于 expected,但仍返回 false。这不是 bug,是 x86 外平台(如 ARM)的常见行为,所以必须循环重试。

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  • 典型模式:
    int expected = old_val;
    while (!counter.compare_exchange_weak(expected, new_val)) {
        // expected 已被自动更新为当前实际值
    }
  • 别用 compare_exchange_strong 图省事——它在某些平台会生成更重的指令(如带 barrier 的 LL/SC),性能反而差
  • 注意:expected 是 in-out 参数,失败时会被覆写为当前值,这是循环能继续的关键
  • 如果业务逻辑允许“尝试一次”,那就不用循环,但得接受失败可能性——比如乐观锁更新失败后降级为加锁重试

真正难的不是记住这些规则,而是判断某段代码里哪几个内存访问之间存在依赖、是否需要同步、以及同步到什么程度。很多看似“正确”的 atomic 用法,其实只是没暴露竞态——换台 CPU、换个编译器优化等级,就崩了。

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