上一篇文章讲了C++多线程的基础知识, 今天我们来讲讲原子操作, 原子操作也是C++多线程的主要内容
什么是原子操作
什么是原子操作呢? 就是一个操作执行像原子一样不可再分割, 在多线程环境中就不会被其他线程打断, 因而就会保证某个操作执行的连续性和完整性
也就是说,一个操作要么全部执行完毕,要么完全不执行
如果没有原子操作
如果没有原子操作的话, 在多线程环境中会导致数据读写混乱, 下面让我们用代码举个经典的反例看看
cpp
#include <iostream>
#include <thread>
#include <vector>
int count = 0; // 普通整型变量
// 线程执行的函数：count自增1000次
void increment() {
for (int i = 0; i < 1000; ++i) {
count++; // 看似简单的自增，实则暗藏危机
}
}
int main() {
std::vector<std::thread> threads;
// 创建10个线程
for (int i = 0; i < 10; ++i) {
threads.emplace_back(increment);
}
// 等待所有线程执行完毕
for (auto& t : threads) {
t.join();
}
std::cout << "最终count值：" << count << std::endl; // 结果远小于10000
return 0;
}
上述代码的基本内容是让10个线程各自给count加1000次,但实际运行成果总小于1000
是什么原因呢?
因为count++这个操作,在CPU层面被拆成三步:
- 从内存中读取count的值存到寄存器
- 寄存器中的值+1
- 把新值写回内存
因为这三步不是"不可分割的",所以容易造成读写混乱,线程A刚读完count,还没有在寄存器+1,线程B就插进来读了同一个值,然后各自+1写回,相当于白加了一次,导致数据被覆盖, 这就显得原子操作是多么重要了, 下面让我们来看看原子操作是怎么使用的~
原子操作的使用
核心工具
std::atomic:它是 C++11 开始提供的原子类型模板,不需要手动加锁,也可以实现线程安全
常用方法
以int类型变量count为例
- 读值
count.load() - 写值
count.store(10) - 自增
count.fetch_add(1) - 交换
count.exchange(20)
下面让我们用原子操作来修复上述的例子
cpp
#include <iostream>
#include <thread>
#include <vector>
#include <atomic> // 包含原子操作的头文件
std::atomic<int> count = 0; // 原子整型变量
// 线程执行的函数：count自增1000次
void increment() {
for (int i = 0; i < 1000; ++i) {
// 方式1：使用fetch_add原子自增
count.fetch_add(1);
// 方式2：直接用count++（重载后的原子操作，效果一样）
// count++;
}
}
int main() {
std::vector<std::thread> threads;
// 创建10个线程
for (int i = 0; i < 10; ++i) {
threads.emplace_back(increment);
}
// 等待所有线程执行完毕
for (auto& t : threads) {
t.join();
}
// 原子变量可以直接输出，底层会调用load()
std::cout << "最终count值：" << count << std::endl; // 结果一定是10000
return 0;
}运行结果如下: 
这次运行后，count的值10000，使用了原子操作后不会被其他线程打断
这就是原子操作在多线程场景中的使用意义
总结
- 原子操作的核心是
不可分割，能避免多线程下的数椐竞争 - 原子操作通过
std::atomic实现
那么我们在上一篇多线程基础的文章中讲到了互斥锁,也可以解决数据竞态条件的问题,那么原子操作和互斥锁又有什么区别和联系呢?他们谁的性能更强呢?如果点赞量超过1,我下期将会重点讲讲原子操作和互斥锁之间的关系~
希望这篇文章能帮你搞懂 C++ 原子操作！如果觉得有用，别忘了点赞哟
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