C++ 并发编程指南（11）原子操作

文章目录

• 一、原子操作
• • 1、基本概念
  • 2、C++中的原子类型
  • 3、示例
  • 4、总结

在C++多线程编程中，原子操作扮演着至关重要的角色。它们提供了一种在多线程环境中安全地访问和修改共享数据的方式，从而避免了数据竞争和不一致性的问题。本文将详细介绍C++中的原子操作，包括其定义、分类、使用方法以及在实际编程中的应用。

一、原子操作

1、基本概念

原子操作是指在多线程环境下，对数据的访问和修改是不可分割的，即在一个线程对数据进行操作的过程中，其他线程无法干预。这样可以确保数据的一致性和完整性。

原子操作可以确保数据的一致性和完整性，这一概念源自于数据库管理系统中的ACID属性，其中“A”代表原子性。原子性的核心在于确保事务（在数据库中）或操作序列（在多线程编程中）要么完全执行，要么完全不执行，不会出现只执行了部分的情况。

• 确保数据一致性：原子操作通过保证一系列更改或者检查作为一个整体执行，来确保数据的一致性。这意味着在这个操作序列执行过程中，不受到其他线程的干扰，从而避免了数据处于不一致状态的可能性。
• 确保数据完整性：原子操作防止了在执行过程中发生错误而导致的数据丢失或损坏。如果一个原子操作因为某种原因无法完成，那么它所做的所有更改都会被回滚，从而保证了数据的完整性。

总的来说，理解原子操作可以确保数据的一致性和完整性，关键在于认识到它们将一组操作封装为一个不可分割的单元，这个单元要么全部成功，要么在遇到错误时全部失败并恢复到操作前的状态，从而保护数据的正确性和可靠性。

2、C++中的原子类型

C++标准库提供了一组原子类型，如std::atomic<T>，其中T是任意基本数据类型，如int、float、double等。这些原子类型提供了一些成员函数，用于实现原子操作。以下是一些常用的原子操作成员函数：

• load()：读取原子变量的值，返回T类型的值。
• store(T value)：设置原子变量的值为value。
• exchange(T value)：设置原子变量的值为value，并返回之前的值。
• compare_exchange_weak(T& expected, T desired)：如果原子变量的值等于expected，则将其设置为desired，并返回true；否则返回false。
• compare_exchange_strong(T& expected, T desired)：与compare_exchange_weak类似，但在失败时会阻塞当前线程，直到成功为止。

3、示例

下面是一个简单的示例，展示了如何使用原子操作来实现一个计数器：

#include <iostream>
#include <atomic>
#include <thread>

std::atomic<int> counter(0); // 定义一个原子整数变量

void increase_counter() {
    for (int i = 0; i < 1000; ++i) {
        counter.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed); // 以宽松内存顺序增加计数器的值
    }
}

int main() {
    std::thread t1(increase_counter);
    std::thread t2(increase_counter);

    t1.join();
    t2.join();

    std::cout << "Counter: " << counter << std::endl; // 输出计数器的值

    return 0;
}

在这个示例中，我们定义了一个原子整数变量counter，并创建了两个线程t1和t2，它们都调用increase_counter函数来增加计数器的值。由于我们使用了原子操作，所以即使在多线程环境下，计数器的值也能保持一致。

4、总结

C++中的原子操作提供了一种在多线程环境中安全地访问和修改共享数据的方式。通过使用std::atomic模板类和相关函数，我们可以实现各种基本和复合类型的原子操作。在实际编程中，原子操作被广泛应用于实现计数器、标志位、并发数据结构和算法等场景。通过合理地使用原子操作，我们可以有效地避免数据竞争和不一致性的问题，从而提高多线程程序的正确性和性能。