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【C++八股】std::atomic —— 原子操作

article 2025/2/10 15:37:55

std::atomic 是 C++11 引入的模板类，主要用于多线程编程中的原子操作，确保在多个线程访问或修改共享变量时不会产生数据竞争。

1. `std::atomic` 的作用

在多线程环境下，普通变量的操作不是原子的，可能被多个线程同时访问和修改，导致数据竞争。

示例（非原子操作可能导致错误）：

#include <iostream>
#include <thread>

int counter = 0;  // 非原子变量

void increment() {
    for (int i = 0; i < 100000; ++i) {
        ++counter;  // 可能导致数据竞争
    }
}

int main() {
    std::thread t1(increment);
    std::thread t2(increment);
    t1.join();
    t2.join();
    std::cout << "Counter: " << counter << std::endl;  // 可能得到不确定的结果
}

这里 ++counter 不是原子操作，两个线程可能会同时读取 counter，然后都执行 ++，导致最终结果错误。

解决方案：使用 std::atomic

#include <iostream>
#include <thread>
#include <atomic>

std::atomic<int> counter(0);  // 使用 std::atomic

void increment() {
    for (int i = 0; i < 100000; ++i) {
        ++counter;  // 线程安全的操作
    }
}

int main() {
    std::thread t1(increment);
    std::thread t2(increment);
    t1.join();
    t2.join();
    std::cout << "Counter: " << counter << std::endl;  // 结果始终正确
}

✅ std::atomic<int> 确保 counter 的所有操作都是原子的，消除了数据竞争。

2. `std::atomic` 的核心特点

保证原子性：所有操作（如 ++、--、赋值等）都是不可分割的，不会被其他线程中断。
无锁实现：通常使用硬件级的原子指令（如 lock cmpxchg），比互斥锁 std::mutex 开销更低。
支持基本类型：如 int、bool、float、pointer 等，也支持自定义类型（但要求是 TriviallyCopyable）。
支持原子操作：

fetch_add() / fetch_sub() （类似 ++ 和 --）
compare_exchange_strong() / compare_exchange_weak() （CAS 操作）
load() / store() （获取和设置值）

3. `std::atomic` vs `std::mutex`

std::atomic 适用于简单的数值或指针变量，能够提供高效的原子操作。
std::mutex 适用于更复杂的多线程同步需求，比如保护多个变量或复杂数据结构。

总结

✅ std::atomic 适用于多线程环境，提供无锁原子操作，避免数据竞争。
✅ 比 std::mutex 更高效，但只适用于简单变量（int、指针等）。
✅ 支持 CAS（比较交换）、fetch_add、fetch_sub 等常见原子操作。
✅ 对于复杂数据结构（如链表、队列），推荐使用 std::mutex 或 std::shared_mutex。

重点

std::atomic 是什么？
- 是 C++11 引入的无锁原子操作，适用于多线程共享变量。
和 std::mutex 的区别？
- std::atomic 无锁，开销低，适用于简单变量。
- std::mutex 需要锁，开销高，适用于复杂数据结构。
compare_exchange_strong() 的作用？
- CAS 操作，仅当预期值相等时才更新，适用于无锁数据结构。
什么时候用 std::atomic_flag？
- 适用于自旋锁，比 std::mutex 更轻量，但可能导致 CPU 忙等。