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C++多线程之原子操作 std::atomic

news 2026/5/11 23:50:07

std::atomic 介绍

std::atomic 是 C++11 引入的模板类，用于支持多线程环境下的原子操作。原子操作是不可分割的操作，即在执行过程中不会被其他线程打断，从而避免数据竞争和未定义行为。

原子操作的概念

原子操作是指一个操作要么完全执行，要么完全不执行，不会出现部分执行的状态。在多线程环境中，原子操作能够确保对共享变量的读写是线程安全的，无需额外的锁机制。

适用场景

计数器或标志位的无锁更新
实现简单的同步机制（如自旋锁）
高性能并发场景，避免锁的开销

即atomic仅能处理 “单个变量的原子读写 / 交换 / 累加”（如计数器、标志位），一旦逻辑超过 “单个变量操作”，atomic就无能为力。atomic的核心价值就是无锁、高性能的单一变量同步

常用接口

std::atomic 提供以下常用成员函数：

load()：原子读取变量的值
store(val)：原子写入变量的值
exchange(val)：原子交换变量的值并返回旧值
compare_exchange_weak(expected, desired)：比较并交换（弱版本）
compare_exchange_strong(expected, desired)：比较并交换（强版本）

经典应用场景

1.std::atomic用来做线程退出的标志位

//设置线程退出标志位 std::atomic <bool> m_flag; //假设有一个工作线程 void work(){ while(!m_flag.load(std::memory_order_acquire)) { std::cout<<"this thread is working..."<<std::endl; std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100)); } } int main() { std::thread t(work); std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1)); //更改线程标志位 m_flag.store(true,std::memory_release) //std::memory_release规定写入权限对于线程可见 t.join(); return 0; }

2.使用 std::atomic_flag 实现自旋锁

std::atomic_flag 是最简单的原子布尔类型，适合实现自旋锁

#include <atomic> #include <thread> class SpinLock { public: SpinLock() : flag(ATOMIC_FLAG_INIT) {} void lock() { while (flag.test_and_set(std::memory_order_acquire)) { // 核心条件2: 满足自旋等待，不阻塞 } } void unlock() { flag.clear(std::memory_order_release); } private: std::atomic_flag flag; //核心条件1:原子操作 }; // 使用示例 SpinLock spinLock; int sharedData = 0; void increment() { spinLock.lock(); ++sharedData; spinLock.unlock(); } int main() { std::thread t1(increment); std::thread t2(increment); t1.join(); t2.join(); return 0; }

1.std::atomic_flag是一个原子布尔开关，其只有std::atomic_flag::test_and_set()和std::atomic_flag::clear()两个接口。

2.std::atomic::test_and_set(): 有两个返回值：1.false-表示当前锁未被占用

2.true-表示当前锁已被占用

返回的是旧值(即标志位被更改之前的值)。其核心逻辑是原子性的完成（测试标志位状态+设置标志位为置位）两个动作，其动作不可被线程调度打断，要么完成，要么不进行。

可能有的读者会误认为，test_and_set()是先测试锁是否被占用，没有被占用再获取锁，并将其标志位改为置用。但其实并不是这样，其操作逻辑是先获取标志位状态，并且不管当前锁有没有没占用，都将标志位改为占用，再返回获取到的未被更改前的旧值。

例如，test_and_set()获取到的是false，则先将false改为true，告诉其他线程锁已经被我占用了，再将返回获取到的false。

若其获取到的是true，还是会将标志位置为true，这就可以理解为不管获取到什么状态，都会将标志位强行置为true。返回true，继续忙等。

3.std::atomic_flag::clear(): 其作用就是重置标志位，将true置为false。与test_and_set()搭配使用。