參考：

• C++ atomic 原子操作_c++ 原子操作-CSDN博客
• DeepSeek

1. 什么是原子操作

原子操作（Atomic Operations）是不可分割的操作，保證在多線程環境中執行時不會被中斷，避免數據競爭（Data Race）。即：原子操作要么完全執行，要么完全不執行，不會在執行期間被其他線程操作干擾。

C++11引入<atomic>頭文件，提供std::atomic<T>模板類，支持對基本類型（如int、bool、指針）的原子操作。

2. 原子操作的特點

• 無鎖（Lock-Free）： 原子操作通常由硬件指令（如CAS，LL/SC）實現，無需顯式加鎖。
• 線程安全： 保證對變量的讀寫操作在多線程環境下的正確性。
• 輕量級： 適合簡單操作（如計數器、標志位），性能通常高于互斥鎖。

示例：

#include <atomic>
std::atomic<int> counter(0);void increment() {counter.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed); // 原子遞增
}

3. 原子操作的底層原理

原子操作的實現依賴于硬件指令，例如：

• CAS（Compare-And-Swap）：通過比較內存中的值與預期值，若匹配則更新為新值。

  bool compare_exchange_strong(T& expected, T desired) {if (current == expected) {current = desired;return true;} else {expected = current;return false;}
  }
  

• LL/SC（Load-Linked/Store-Conditional）：在特定地址上標記“監視”，若未被其他線程修改則寫入。

這些指令保證操作的原子性，但不同硬件（x86、ARM）的實現差異較大。例如：

• x86：通過LOCK前綴指令（如LOCK XCHG）實現原子操作。
• ARM：依賴LL/SC指令實現無鎖原子操作。

原子操作的局限性

• ABA問題：線程A讀取值A，線程B將值改為B后又改回A，導致A的CAS誤判無變化。
  解決方案：使用帶版本號的原子變量（如std::atomic<std::pair<T, uint64_t>>）。
• 適用范圍：僅適用于基本類型（如int、bool、指針）。復雜類型需使用std::atomic_flag或互斥鎖。

4. 內存序

內存序（Memory Order）定義了原子操作之間的可見性和順序約束，確保多線程環境下的內存訪問符合預期。以下問題可能導致指令順序變化：

• 編譯器重排：編譯器優化可能導致指令順序變化。
• CPU重排：現代CPU的亂序執行機制（如Store Buffer、Invalidate Queue）可能打亂指令順序。
• 緩存一致性：不同核心的緩存狀態可能導致內存視圖不一致。

C++提供6種內存序，分為三類：

內存序	描述
順序一致性（Sequential Consistency）
memory_order_seq_cst	最嚴格，保證全局順序一致，性能較低。默認選項。
獲取-釋放（Acquire-Release）
memory_order_acquire	保證后續讀操作不會重排到該操作之前（用于“獲取”同步）。
memory_order_release	保證前面的寫操作不會重排到該操作之后（用于“釋放”同步）。
memory_order_acq_rel	同時包含acquire和release語義（用于讀-改-寫操作）。
寬松（Relaxed）
memory_order_relaxed	僅保證原子性，無順序約束（適用于計數器等無需同步的場景）。
memory_order_consume	依賴順序（較弱的acquire，C++17后不推薦使用）。

典型場景：

生產者-消費者模型：

// 生產者線程
data = ...; // 生產數據
flag.store(true, std::memory_order_release); // 發布數據// 消費者線程
while (!flag.load(std::memory_order_acquire)); // 獲取數據
use_data(data); // 安全使用數據

內存屏障

1. 內存屏障的作用

內存屏障是硬件或編譯器級別的指令，用于強制限制內存操作的執行順序，分為兩類：

• 編譯器屏障：阻止編譯器重排指令（如asm volatile("" ::: "memory")）。
• 硬件屏障：阻止CPU重排內存訪問（如x86的MFENCE、ARM的DMB）。

2. C++內存序與內存屏障的映射

• std::atomic_thread_fence()：顯式插入內存屏障。

  std::atomic_thread_fence(std::memory_order_acquire); // 插入讀屏障
  

• 隱式屏障：原子操作的內存序參數隱式插入屏障：

  a.store(1, std::memory_order_release); // 隱式插入Store屏障
  

3. 內存屏障的實際案例

示例：無鎖隊列的入隊操作

// 生產者線程
Node* new_node = new Node(data);
new_node->next.store(head, std::memory_order_relaxed);
head.store(new_node, std::memory_order_release); // 插入寫屏障，確保new_node初始化完成后再更新head// 消費者線程
Node* local_head = head.load(std::memory_order_acquire); // 插入讀屏障，確保讀取到最新的head
if (local_head != nullptr) {// 安全操作local_head->next
}

5. 原子操作和互斥鎖的對比

特性	原子操作	互斥鎖（如std::mutex）
實現方式	硬件指令（如CAS）實現無鎖操作。	通過操作系統內核的鎖機制（可能涉及上下文切換）。
性能	低競爭時性能高，高競爭時可能自旋。	高競爭時可能更高效（線程休眠）。
適用場景	簡單操作（如計數器、標志位）。	復雜操作或需要保護多個變量/代碼塊。
內存序復雜性	需顯式指定內存序，易出錯。	隱式保證順序一致性，更簡單。
死鎖風險	無。	需避免死鎖（如加鎖順序不一致）。
ABA問題	可能發生（需配合版本號解決）。	無。

選擇建議：

• 使用原子操作：需要高性能的簡單操作，且能正確處理內存序。
• 使用互斥鎖：保護復雜邏輯或臨界區較長時，簡化代碼并減少錯誤。

6. 常用的原子操作

• load：讀取原子變量的值

  std::atomic<int> a(1);
  int value = a.load();
  

• store：將一個值存儲到原子變量中

  std::atomic<int> a(1);
  a.store(2); // a的值變為2
  

• exchange：將原子變量的值替換為另外一個值，并返回舊值

  常用來在并發環境下進行“交換”操作。

  std::atomic<int> a(1);
  int old_value = a.exchange(2); // old_value為1，a的值變為2
  

• compare_exchange_weak / compare_exchange_strong：原子地進行條件交換操作。若當前值等于預期值，則交換新值，否則返回false。weak失敗后可能會重新嘗試，性能相對較高；strong失敗后會返回false并不再嘗試。

  std::atomic<int> a(1);
  int expected = 1;
  if (a.compare_exchange_weak(expected, 2)) {// 如果a的值是1，設置為10std::cout << "Value changed!" << std::endl;
  } else {std::cout << "Value not changed!" << std::endl;
  }
  

• fetch_add / fetch_sub：原子地執行加法或減法操作，并返回舊值。

  std::atomic<int> a(5);
  int old_value = a.fetch_add(1);  // old_value為5，a為6
  

7. 相關問題討論

• 使用 std::atomic 實現線程安全計數器：C++ atomic 原子操作_c++ 原子操作-CSDN博客
• 使用 compare_exchange_strong 實現自旋鎖：C++ atomic 原子操作_c++ 原子操作-CSDN博客
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