一、什么是原子操作？ 二、为什么需要原子操作？ 三、C++11中的头文件 四、基本使用 1. 声明原子变量 2. 基本原子操作 五、内存顺序（Memory Order） 示例：使用内存顺序实现自旋锁 六、原子类型模板 七、实际应用示例 1. 线程安全的计数器 2. 双重检查锁定（Double-Checked Locking） 八、性能考虑 九、常见陷阱 十、总结 一、什么是原子操作？
原子操作（Atomic Operations）是指不可被中断的一个或一系列操作。在多线程编程中，原子操作就像是"不可分割的最小单位"，要么完全执行，要么完全不执行，不会出现执行到一半被其他线程打断的情况。
二、为什么需要原子操作？
考虑以下场景：
int counter = 0;
// 线程1
void increment() {
counter++;
}
// 线程2
void decrement() {
counter--;
}
在多线程环境下，counter++ 和 counter-- 这样的操作实际上包含多个步骤（读取、修改、写入），可能导致竞态条件（Race Condition）。原子操作可以确保这些操作不可分割地完成。
三、C++11中的
C++11引入了
基本原子类型（atomic_int, atomic_bool等）
类模板std::atomic
原子操作函数
内存顺序控制
四、基本使用
1. 声明原子变量
#include
#include
int main() {
std::atomic
counter.store(10); // 原子存储
int value = counter.load(); // 原子读取
std::cout << "Counter: " << value << std::endl;
return 0;
}
2. 基本原子操作
std::atomic
// 原子加法
num.fetch_add(5); // 相当于 num += 5
// 原子减法
num.fetch_sub(3); // 相当于 num -= 3
// 原子交换
int old = num.exchange(10); // 将num设为10，返回旧值
// 比较交换（CAS操作）
int expected = 10;
bool success = num.compare_exchange_strong(expected, 15);
// 如果num == expected，则设为15，返回true
// 否则将expected设为num的实际值，返回false
五、内存顺序（Memory Order）
内存顺序指定了原子操作周围的内存访问如何排序，是原子操作的高级特性。C++11定义了6种内存顺序：
memory_order_relaxed：最宽松的顺序，只保证原子性
memory_order_consume：依赖于此原子变量的后续操作不能重排序到它前面
memory_order_acquire：后续操作不能重排序到它前面
memory_order_release：前面操作不能重排序到它后面
memory_order_acq_rel：acquire + release
memory_order_seq_cst：最严格的顺序（默认）
示例：使用内存顺序实现自旋锁
#include
#include
class SpinLock {
std::atomic_flag flag = ATOMIC_FLAG_INIT;
public:
void lock() {
while (flag.test_and_set(std::memory_order_acquire)) {
// 自旋等待
}
}
void unlock() {
flag.clear(std::memory_order_release);
}
};
六、原子类型模板
std::atomic可以用于任何可平凡复制的类型：
struct Point {
int x, y;
};
std::atomic
void updatePoint() {
Point new_point{10, 20};
atomic_point.store(new_point, std::memory_order_release);
}
void readPoint() {
Point current = atomic_point.load(std::memory_order_acquire);
std::cout << "Point: (" << current.x << ", " << current.y << ")\n";
}
七、实际应用示例
1. 线程安全的计数器
#include
#include
#include
#include
std::atomic
const int kIncrementsPerThread = 100000;
const int kThreadCount = 10;
void increment() {
for (int i = 0; i < kIncrementsPerThread; ++i) {
counter.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed);
}
}
int main() {
std::vector
for (int i = 0; i < kThreadCount; ++i) {
threads.emplace_back(increment);
}
for (auto& t : threads) {
t.join();
}
std::cout << "Final counter value: " << counter << std::endl;
return 0;
}
2. 双重检查锁定（Double-Checked Locking）
class Singleton {
private:
static std::atomic
static std::mutex mutex;
Singleton() {}
public:
static Singleton* getInstance() {
Singleton* tmp = instance.load(std::memory_order_acquire);
if (tmp == nullptr) {
std::lock_guard
tmp = instance.load(std::memory_order_relaxed);
if (tmp == nullptr) {
tmp = new Singleton();
instance.store(tmp, std::memory_order_release);
}
}
return tmp;
}
};
std::atomic
std::mutex Singleton::mutex;
八、性能考虑
原子操作比普通操作慢，但比互斥锁快
使用memory_order_relaxed可以获得更好性能（当不需要严格顺序时）
避免过度使用原子变量，考虑无锁数据结构设计
九、常见陷阱
错误地认为原子操作可以替代锁：原子操作只保证单个操作的原子性，复杂操作仍需锁
忽略内存顺序：错误的内存顺序可能导致难以发现的bug
ABA问题：在使用CAS操作时需要注意
十、总结
C++11的原子操作提供了：
线程安全的基本操作
多种内存顺序控制
比锁更高效的并发控制方式
构建无锁数据结构的基础
掌握原子操作是成为高级C++开发者的重要一步。建议从简单场景开始实践，逐步理解更复杂的内存顺序概念。