原子性与 std::atomic
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什么是原子性
原子操作：不可被中断的操作，要么完全执行，要么完全不执行，中间不会被其他线程/中断打断。
// 非原子：i++ 实际是三步（读 → 加 → 写），多线程下会出错
int i = 0;
i++; // 两个线程各执行一次 i++，期望结果是 2，但因为竞态可能只得到 1
// 原子：硬件保证整个操作不可分割
std::atomic<int> i = 0;
i++; // 安全为什么需要原子性
| 问题 | 原因 |
|---|---|
| 竞态条件 (Race Condition) | 多线程同时读写同一变量，结果不确定 |
| 指令重排 | 编译器/CPU 可能打乱指令顺序 |
| 缓存不一致 | 多核 CPU 各自缓存变量，写入不可见 |
std::atomic 基本用法
#include <atomic>
std::atomic<int> counter{0};
std::atomic<bool> flag{false};
// 常用操作
counter++; // 原子自增
counter.fetch_add(5); // 原子加，返回旧值
int val = counter.load(); // 原子读
counter.store(10); // 原子写
counter.exchange(20); // 原子交换，返回旧值
// CAS：Compare And Swap（无锁编程核心）
int expected = 5;
bool ok = counter.compare_exchange_strong(expected, 10);
// 若 counter == expected，则写入10，返回true
// 否则将 expected 更新为当前值，返回false内存顺序 (Memory Order)
控制原子操作的可见性和重排限制，性能从低到高：
| 参数 | 含义 | 场景 |
|---|---|---|
memory_order_seq_cst | 全局顺序一致（默认） | 最安全，性能最低 |
memory_order_acquire | 读屏障，之后的读写不上移 | 配合 release 用于同步 |
memory_order_release | 写屏障，之前的读写不下移 | 配合 acquire 用于同步 |
memory_order_relaxed | 无顺序保证，只保证原子性 | 计数器等无依赖场景 |
// 典型 acquire-release 同步模式
std::atomic<bool> ready{false};
int data = 0;
// 生产者线程
data = 42;
ready.store(true, std::memory_order_release); // 保证 data=42 在前
// 消费者线程
while (!ready.load(std::memory_order_acquire)); // 保证读到 data=42
assert(data == 42); // 安全volatile vs atomic
volatile | std::atomic | |
|---|---|---|
| 禁止编译器缓存 | ✅ | ✅ |
| 保证原子性 | ❌ | ✅ |
| 保证内存顺序 | ❌ | ✅ |
| 适用场景 | 硬件寄存器、ISR | 多线程共享变量 |
嵌入式裸机：寄存器用
volatile；有 RTOS 多任务：共享变量用atomic或互斥锁。