C++ - volatile、std::atomic、std::mutex 区别与联系

简介

1、一般 volatile 和 std::atomic 容易产生误用

2、一般 std::atomic 和 std::mutex 容易产生误用

对第1点

| 特性            | volatile                                            | std::atomic   |
|---------------|------------------------------------|-----------------------|
| 核心作用     | 禁止编译器优化，保证内存可见性   | 保证原子性+内存可见性 |
| 适用操作     | 简单读写（赋值/读取）                 | 读-改-写（++/--/+=）|注：++是读-改-写三步
| 多线程安全  | 不安全（无原子性）                     | 安全（原子操作）          |
| 典型场景     | 硬件寄存器、信号处理函数            | 多线程计数器、标志位    |

误区：

　　很多人加volatile是误以为 “能增强std::atomic的安全性”，但实际：
　　❌ 误区 1：volatile能让std::atomic更 “安全”—— 不存在，std::atomic的原子性和可见性已经是最高级别的保证；
　　❌ 误区 2：volatile能提升std::atomic的性能 —— 反而可能轻微降低性能（编译器优化被进一步限制）；
　　✅ 事实：只有变量关联硬件时，volatile才有实际意义，纯软件场景完全多余。

总结

　　1. volatile 的核心：禁止编译器优化变量的读写，保证每次操作都直接访问内存；
　　2. 唯一适用场景：硬件寄存器操作、信号处理函数的全局变量、多线程简单标志位（仅保证可见性）；
　　3. 关键避坑：`volatile`≠原子性，多线程原子操作必须用`std::atomic`；
　　4. 原则：不滥用，仅在编译器可能优化掉变量读写时使用，否则会降低程序效率。
　　5. 日常开发（纯软件多线程）：std::atomic<int>无需加volatile，加了也无收益；
　　6. 嵌入式 / 硬件交互：仅当std::atomic变量映射到硬件寄存器时，才需要叠加volatile；
　　7. volatile 和 const 可共存，一般写法 const volatile int a，因为值可被外部修改（如硬件只读寄存器）

对第2点

std::atomic：针对单个变量；快/纳秒/没有内核到用户态切换开销；只支持基础类型/struct；只支持++/--/+=/=右值/左值=

std::mutex：针对代码块；相对慢/微秒/有内核到用户态切换开销；不受类型约束；支持复杂操作

注：

　　1. 两者使用效率只有在合适地方才能最高，如果应该在使用std::mutex场景使用std::atomic反而整体效率变低

　　2. std::mutex需要配合管理锁std::lock_guard这类使用，保证离开生命周期就解锁

　　3. 两者使用时对应线程操作变量都是无序的，且1线程获得锁时2线程会阻塞等待(但不消耗CPU，非自旋锁)

END