C++ 原子操作

内存屏障，也称为内存栅栏、内存栅障或屏障指令，是一类同步屏障指令。它是CPU或编译器在对内存随机访问的操作中的一个同步点，确保此点之前的所有读写操作都执行完毕后，才可以开始执行此点之后的操作。

1）原子性（Atomicity）：

原子性是指一个或多个操作作为一个整体来执行，中途不会被其他线程打断。在多线程环境中，原子性确保一个操作要么完全执行，要么完全不执行，不会出现只执行一部分的情况。这有助于避免线程间的数据竞争和不一致状态。

2）可见性（Visibility）：

可见性是指当一个线程修改共享变量的值后，其他线程能够立即看到这个修改。由于多线程环境中的缓存和内存模型，一个线程对共享变量的修改可能不会立即对其他线程可见。可见性确保线程之间的共享数据始终保持一致，从而防止数据不一致和线程安全问题。

3）有序性（Ordering）：

有序性指的是在多线程环境中，操作执行的顺序。由于不同的线程可能并发执行，因此操作的执行顺序可能不是按照代码书写顺序来发生的。C++内存模型定义了不同的内存序（memory order），这些内存序决定了原子操作的顺序以及非原子操作的顺序

C++内存序：

 

序号	值	中文说法	含义
1	memory_order_relaxed	宽松型内存序	不提供任何同步保证，只保证原子操作本身是原子的。
2	memory_order_consume	消费型内存序	用于同步依赖关系，保证依赖于原子操作结果的后续操作按顺序执行(在该原子操作之后执行)。
3	memory_order_acquire	获取内存序	用于同步对共享数据的访问，保证在该点(获取操作)之后，对共享数据的所有读取操作都将看到最新的数据。保证在该点之后的, 所有共享数据的读操作不会被重排序到该点之前                     after is after
4	memory_order_release	释放内存序	用于同步对共享数据的访问，保证在该点(释放数据)之前，对共享数据的所有写入操作都已完成，并且对其他线程可见(写入一致性缓存:L2Cache)。 保证在该点之前的，所有共享数据的写入不会被重排序到该点之后。   before is before 备注： 对于多个原子变量的store/release,  不能保证其他内核，拿到的都是最新的值(内核一级缓存的旧值)。 原因见第6条。
5	memory_order_acq_rel	获取-释放内存序	当前线程中，同时满足memory_order_acquire和memory_order_release。
6	memory_order_seq_cst	顺序一致性内存序	最强约束。保证所有线程都有相同的操作顺序，并且保证全局有序。 这里的全局有序，是指多个原子变量(x, y)的写有序。 例子：1）内核1将x写入cpu一致性缓存  2）内核2将y写入cpu一致性缓存  3）内核1广播通知其他核x更新了并且收到应答 4) 内核2广播通知其他核y更新了并且收到应答。  有序：指的是广播通知有序，保证一个原子变量的更新，通知到其他全部内核后，才会开始下一个通知。

 

std::atomic 成员函数的概述：

成员函数	描述	参数	返回值
std::atomic<T>() noexcept = default;	默认构造函数	无	无
constexpr atomic(T val) noexcept;	初始化构造函数	T val（初始化值）	无
T load(std::memory_order order = std::memory_order_seq_cst) const noexcept;	原子加载值		当前值
void store(T val, std::memory_order order = std::memory_order_seq_cst) noexcept;	原子存储值	T val（要存储的值）	无
T exchange(T val, std::memory_order order = std::memory_order_seq_cst) noexcept;	原子交换值	T val（新值）	交换前的值
bool compare_exchange_strong(T& expected, T val, std::memory_order order1, std::memory_order order2) noexcept;	原子比较并交换（强版本）	T& expected（预期值），T val（新值）	是否成功交换
bool compare_exchange_weak(T& expected, T val, std::memory_order order1, std::memory_order order2) noexcept;	原子比较并交换（弱版本）	同上	是否成功交换
T fetch_add(T val, std::memory_order order = std::memory_order_seq_cst) noexcept;	原子加法并返回旧值	T val（要加的数值）	操作前的值
T fetch_sub(T val, std::memory_order order = std::memory_order_seq_cst) noexcept;	原子减法并返回旧值	同上	操作前的值
T fetch_and(T val, std::memory_order order = std::memory_order_seq_cst) noexcept;	原子按位与并返回旧值	同上	操作前的值
T fetch_or(T val, std::memory_order order = std::memory_order_seq_cst) noexcept;	原子按位或并返回旧值	同上	操作前的值
T fetch_xor(T val, std::memory_order order = std::memory_order_seq_cst) noexcept;	原子按位异或并返回旧值	同上	操作前的值
bool is_lock_free() const noexcept;	检查是否是无锁操作	无	如果是无锁操作，返回 true；否则返回 false
++ --等

 

#include <atomic>  
  
std::atomic<int> flag = ATOMIC_VAR_INIT(0);  
std::atomic<int> data;  
  
void writer_thread() {  
    data.store(42, std::memory_order_relaxed);  
    flag.store(1, std::memory_order_release); // 释放内存屏障  
}  
  
void reader_thread() {  
    while (!flag.load(std::memory_order_acquire)) { // 获取内存屏障  
        // spin-wait  
    }  
    int value = data.load(std::memory_order_relaxed);  
    // 此时可以确保看到writer_thread中data的写操作  
}