C++怎么使用原子操作_C++std::atomic详解【并发】

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std::atomic 初始化必须显式,如 std::atomic counter{0};默认构造导致未定义行为;仅支持 trivially copyable 类型;memory_order 可优化性能但需谨慎选择;compare_exchange_weak 适合循环cas。

C++怎么使用原子操作_C++std::atomic详解【并发】

std::atomic 初始化必须显式,不能依赖默认构造

很多刚用 std::atomic 的人会写 std::atomic<int> counter;</int> 然后直接 counter++,结果运行时崩溃或值随机——因为 std::atomic 的默认构造不初始化底层存储,内存是未定义的。

  • 必须显式初始化:std::atomic<int> counter{0};</int>std::atomic<int> counter = ATOMIC_VAR_INIT(0);</int>c++17 起 ATOMIC_VAR_INIT 已弃用,优先用花括号初始化)
  • 类类型(如自定义结构)若要原子化,必须是 trivially copyable,且不能有用户定义的构造/析构/拷贝函数,否则编译失败
  • std::atomic<bool></bool> 也一样,std::atomic<bool> flag;</bool> 是未定义行为,得写 std::atomic<bool> flag{false};</bool>

load/store 用 memory_order 比默认更高效,但别乱设

std::atomicload()store() 默认用 memory_order_seq_cst(最强顺序),安全但可能拖慢性能;实际中多数场景不需要这么强。

  • 只读共享标志位(如退出标志):用 load(memory_order_acquire) + store(memory_order_release) 就够,避免全序开销
  • 计数器累加(无依赖关系):fetch_add(1, memory_order_relaxed) 最快,但不能用于同步线程间数据可见性
  • 误用 memory_order_relaxed 做同步点会导致逻辑错乱,比如用它更新一个本该通知其他线程的完成状态,另一端可能永远看不到

compare_exchange_weak 和 compare_exchange_strong 的区别不是“强弱”,而是循环习惯

这两个函数都做 CAS(compare-and-swap),返回 bool 表示是否成功;名字里的 weak/strong 不代表可靠性高低,而是指 weak 允许“伪失败”(spurious failure)——即使值没变也可能返回 false,尤其在某些 CPU 架构(如 ARM、PowerPC)上。

  • 写循环时一律用 compare_exchange_weak:它在 x86 上和 strong 性能一致,在其他平台更轻量,且标准鼓励用它配 do-while
  • 典型写法:
    int expected = counter.load();<br>while (!counter.compare_exchange_weak(expected, expected + 1)) {<br>    // expected 已被自动更新为当前值,继续重试<br>}
  • 不用 compare_exchange_strong 除非你明确需要单次尝试、且能容忍其在某些平台稍重的指令开销

std::atomic 的类型限制很硬,别试图塞 std::String 或 vector

std::atomic 只支持平凡可复制(trivially copyable)类型。这意味着 std::stringstd::vector、任何含虚函数或非平凡析构的类都不能直接原子化——编译直接报错,提示 “specialization of ‘std::atomic’ is not allowed”。

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  • 想原子地操作复杂对象?只能用 std::atomic<:shared_ptr>></:shared_ptr>(C++20 起支持)或退回到互斥锁
  • 整数、指针、枚举、POD 结构(如 Struct { int x; int y; };)可以,但结构体里不能有引用、std::string 成员等
  • 误以为 std::atomic<:optional>></:optional> 可行?不行——std::optional 在 C++20 前不是 trivially copyable,C++20 起才部分支持,仍需查具体标准版本和实现

真正难的从来不是记住语法,而是判断某个变量到底该不该、能不能用 std::atomic ——它不解决数据竞争以外的问题,也不替代设计层面的同步意图。

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