文章目录
- （五）原子操作
- C++中的原子操作
- 内存顺序
- 原子操作解决数据竞争问题
（五）原子操作
原子操作（Atomic Operations）是一种在并发编程中用于防止数据竞争和保证线程安全性的机制。原子操作是不可中断的操作，一旦开始，就必须完全执行完毕，不受其他线程干扰，可以确保多个线程在访问和修改共享数据时不会发生冲突，从而避免了数据竞争和相关的并发问题。
std::atomic是C++11标准库引入的一个模板类，它提供了对基本数据类型（如int、bool、float，指针等）的原子操作支持。
C++中的原子操作
在C++中，std::atomic类型提供了一系列操作保证了操作的原子性，即操作在执行过程中不会被其他线程打断。
- 构造和赋值：
- 构造函数：可以用初始值构造
std::atomic对象。 - 赋值操作符：
=可以用于给std::atomic对象赋值，但这不是原子操作。
- 存储和加载：
store(T desr, std::memory_order order = std::memory_order_seq_cst)：原子地将指定的值存储到原子对象中。load(std::memory_order order = std::memory_order_seq_cst) const：原子地从原子对象中加载值。
- 算术操作：
- 对于整数类型的
std::atomic，提供了++、--、+=、-=、*=、/=、&=、|=、^=等算术操作符的重载，它们都是原子的。 fetch_add(T arg, std::memory_order order = std::memory_order_seq_cst): 原子地增加argfetch_sub(T arg, std::memory_order order = std::memory_order_seq_cst)： 原子地减少arg
- 比较并交换：
compare_exchange_weak(T& expected, T desired, std::memory_order success = std::memory_order_seq_cst, std::memory_order failure = std::memory_order_seq_cst)compare_exchange_strong(T& expected, T desired, std::memory_order success = std::memory_order_seq_cst, std::memory_order failure = std::memory_order_seq_cst)
这两个函数尝试用desired替换当前值，但仅当当前值等于expected时才这样做。如果替换成功，expected将被更新为新的值。
两者的主要区别在于 compare_exchange_weak 可能会在期望值和当前值匹配时因伪失败而返回 false，而 compare_exchange_strong 则保证在匹配时一定返回 true 并执行交换。
伪失败指的是某些操作在逻辑上应该成功但由于某些原因（如硬件或操作系统的优化）而未能成功。
- 交换：
exchange(T desired, std::memory_order order = std::memory_order_seq_cst)：原子地将desired与当前值交换，并返回旧值。
- 位操作：
- 对于整数类型的
std::atomic，也提供了位操作符的重载，如&=、|=、^=等。
- 非成员函数：
std::atomic_flag是一个特殊的原子类型，它只提供了一个操作：test_and_set，用于实现自旋锁等低级同步原语。
内存顺序
上述许多操作都接受一个std::memory_order参数来指定内存顺序（Memory Order）。内存顺序决定了两个或多个内存访问操作之间的相对顺序。在多线程环境中，由于处理器缓存、指令重排和编译器优化等因素，内存访问的顺序可能并不总是按照代码中的顺序执行。这可能导致数据竞争（data race）和未定义行为（undefined behavior）。在C++11及以后的版本中，std::atomic和std::memory_order一起提供了对内存顺序的细粒度控制。
std::memory_order 枚举类型定义了不同的内存顺序约束，这些约束用于控制编译器和处理器对内存操作的重新排序。不同的内存顺序约束有不同的性能和正确性保证。常见的内存顺序包括：
std::memory_order_relaxed：最宽松的约束，不保证任何特定的内存顺序。适用于不需要同步或顺序保证的原子操作，如统计计数器的增加。std::memory_order_consume：主要应用于消费者-生产者模型中的依赖关系同步，确保依赖于原子操作结果的后续操作能按正确顺序执行。std::memory_order_acquire：在读取原子变量之前使用，确保之前的所有读取和写入操作对当前线程可见，常用于读-写锁（read-write lock）的读操作。std::memory_order_release：在写入原子变量之后使用，确保之后的所有读取和写入操作对其他线程可见，常用于写-写锁（write-write lock）的写操作或发布新值到共享变量。std::memory_order_acq_rel：结合了acquire和release的语义，常用于保护一段代码（critical section）的起始和结束，确保只有单一线程能执行这段代码。std::memory_order_seq_cst：提供最强的顺序一致性保证，保证所有线程看到的操作顺序都是一致的，就像单线程执行一样。适用于需要严格顺序保证的场景。
原子操作解决数据竞争问题
【C++并发编程】（三）互斥锁：std::mutex 使用互斥锁解决的数据竞争问题，原子操作也可以解决。下面给出一个例子：
#include <iostream>
#include <thread>
std::atomic<int> counter(0); // 定义一个原子整数counter
void increment() {
for (int i = 0; i < 100000; ++i) {
++counter; // 原子自增操作
}
}
int main() {
std::thread th1(increment);
std::thread th2(increment);
th1.join();
th2.join();
std::cout << "Final counter value: " << counter << std::endl;
// Final counter value: 200000
return 0;
}
由于counter是std::atomic类型的，所以++counter操作是原子的，即使在多线程环境下也不会产生数据竞争。
原子操作与互斥锁
原子操作通常比互斥锁具有更高的性能，但原子操作通常针对单个数据项（如一个整数或指针）进行，它们确保了对该数据项的访问是原子的，即不会被其他线程打断。互斥锁则通常用于保护一个代码块或整个数据结构，确保在该代码块或数据结构被访问时，只有一个线程能够执行。因此，在选择使用原子操作还是互斥锁时，需要根据具体的应用场景和需求进行权衡。
