C++ 学习（9）——多线程(2)--原子操作

原子变量 std::atomic

🌟 目标：理解数据竞争的根源，掌握原子操作的语义，学会使用 std::atomic 来构建无锁线程安全程序。

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📚 一、课程目标

• 理解什么是“原子性”和“数据竞争”
• 掌握 std::atomic 的使用方式和常见操作
• 了解原子变量与互斥锁的区别与联系
• 理解常见原子操作：store()、load()、fetch_add() 等

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🧠 二、理论内容

1. 什么是原子操作？

• 原子操作：不可被中断的操作，要么全部完成，要么完全不发生。
• 多线程环境中，如果多个线程读写同一个变量，且没有同步机制，就会发生数据竞争，导致未定义行为。
• std::atomic 提供原子性保障，防止数据竞争。

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2. 使用 std::atomic 的基本语法

#include <atomic>

std::atomic<int> counter(0);

支持的操作：

counter++;          // 原子自增
counter--;          // 原子自减
counter.store(5);   // 原子写
int x = counter.load(); // 原子读
counter.fetch_add(3); // 原子加法

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3. 原子变量替代互斥锁的场景

场景	推荐用法
仅一个整型计数器或标志位	✅ std::atomic
涉及多个变量一致性修改	❌ std::mutex 更合适
大量频繁读写的共享计数	✅ 原子效率高

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4. 原子操作是线程安全的吗？

是的！但：

• std::atomic 只能保障它自身的线程安全；
• 多个变量之间的同步仍然需要其他手段，比如锁或条件变量。

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5. 原子变量的内存序（了解即可）

counter.store(5, std::memory_order_relaxed);

• 默认使用 memory_order_seq_cst，强顺序；
• relaxed 可以提升性能，但程序设计更复杂（需谨慎使用）。

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🧪 三、实战示例

示例：原子计数器替代互斥锁

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

std::atomic<int> counter(0);

void increase() {
    for (int i = 0; i < 10000; ++i) {
        counter++;
    }
}

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

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

    std::cout << "Final counter: " << counter.load() << std::endl;
    return 0;
}

🔎 输出一定是 20000，无数据竞争！

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📋 四、练习题

💡 练习 1：多线程原子加法

• 编写一个使用 std::atomic<int> 的计数器程序；
• 启动 4 个线程，每个线程自增 10000 次；
• 最终输出应为 40000。

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💡 练习 2：对比互斥锁版本

• 用 std::mutex 和普通 int 写同样的程序；
• 对比两者的执行速度（可使用 std::chrono::steady_clock 测量时间）；
• 思考在实际项目中什么时候该选原子，什么时候选锁？

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💡 思考题

• std::atomic<int> 能否完全替代 std::mutex？
• 如果你要对两个变量一起做加法操作，是否还能使用原子？

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🧠 小结

知识点	说明
原子性	操作不可被中断
std::atomic	提供无锁的线程安全基本类型
使用时机	单变量读写频繁，且线程竞争不严重
限制	多变量一致性修改需锁

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