1. atomic
C++11 引入的 <atomic> 头文件和 std::atomic 模板是无锁并发编程的核心,用于实现多线程间的原子操作,避免数据竞争(data race),替代传统的互斥锁(如 std::mutex)以提升并发性能。

使用atomic的成员函数,对T类型的数据进行操作是原子的,这就使得某些简单的操作不再需要我们去加锁访问,而是直接采用原子操作。例如,一个多线程共享的计数器:
cpp
atomic<int> a_cnt = 0;
int cnt = 0;
void func()
{
for (int i = 0; i < 100000; i++)
{
++a_cnt;
++cnt;
}
}
int main()
{
vector<thread> pool;
for (int i = 0; i < 4; i++)
{
pool.emplace_back(func);
}
for (auto& t : pool)
{
t.join();
}
cout << "原子:" << a_cnt << endl;
cout << "非原子:" << cnt << endl;
return 0;
}
值得注意的是,atomic作为模板,实际上并不完全支持所有类型。
主要支持的是整型家族、指针类型,以及任何满足 CopyConstructible 和 CopyAssignable 的 **可简单复制 (TriviallyCopyable)**类型,例如:
cpp
struct Counters { int a; int b; }; // user-defined trivially-copyable type
std::atomic<Counters> cnt; // specialization for the user-defined type
从C++20开始,atomic对智能指针进行了特化:
如果如下六个函数的返回值均为true ,则说明类型 T 可以使用原子操作,否则不行:
cpp
std::is_trivially_copyable<T>::value
std::is_copy_constructible<T>::value
std::is_move_constructible<T>::value
std::is_copy_assignable<T>::value
std::is_move_assignable<T>::value
std::is_same<T, typename std::remove_cv<T>::type>::value
注意 :std::atomic 对象不可拷贝、不可移动 ,因为拷贝 / 移动会破坏原子性。
1.1 核心成员函数
|----------------------------------|---------------------------------------------------|
| 函数 | 功能 |
| load | 原子读取值 |
| store | 原子写入值 |
| exchange | 原子交换值(返回旧值,写入新值) |
| compare_exchange_weak/strong | 比较并交换(CAS):核心原子操作,实现无锁算法的基础 |
| fetch_add/fetch_sub | 原子加减(返回旧值) ,仅对整数 / 指针类型有效 |
| operator++/-- | 原子自增 / 自减(重载运算符,等价于fetch_add(1)/fetch_sub(1)) |
| operator= | 原子赋值(等价于 store(val)) |
| is_lock_free() | 判断当前原子操作是否 "无锁"(否则内部可能用互斥锁实现) |
1.2 CAS操作
CAS 是无锁编程的基石 ,即 Compare And Set 或 Compare And Swap,上面所有对值进行修改的成员函数,底层都是通过如下两个函数实现:
cpp
bool compare_exchange_weak( T& expected, T desired)
bool compare_exchange_strong( T& expected, T desired)
这两个函数均为原子操作,依赖于硬件提供的CAS指令,核心原理为:
比较原子对象的当前值 与
expected:
- 若相等 :将原子对象值设为
desired,返回true;- 若不等 :将
expected更新为原子对象的当前值,返回false。
weak 与 strong 的区别 在于是否使用缓存一致性协议:
- weak:弱版本,可能 "伪失败"(值相等但返回 false),性能更高;
- strong:强版本,值相等时必成功,无伪失败。
例如,operator++的底层实现可能与Add函数的实现相似:
cpp
atomic<int> a_cnt = 0;
int cnt = 0;
void Add(atomic<int>& cnt)
{
int old = cnt.load();
// cnt与old的值相同,则将new赋值给cnt,否则将cnt的值更新给old
// 确保将数据写回之前,没有其他线程对目标数据进行了修改,进而导致数据的覆盖
// 本质上来说,atomic的原理就是在将数据写回之前验证数据是否已被其他线程修改
// 若已被修改则重新计算更新后的值,并再次尝试写回,直到某次成功
// while (!atomic_compare_exchange_weak(&cnt, &old, old + 1));
while (!a_cnt.compare_exchange_weak(old, old + 1));
}
void func()
{
for (int i = 0; i < 100000; i++)
{
Add(a_cnt);
++cnt;
}
}
int main()
{
vector<thread> pool;
for (int i = 0; i < 4; i++)
{
pool.emplace_back(func);
}
for (auto& t : pool)
{
t.join();
}
cout << "原子:" << a_cnt << endl;
cout << "非原子:" << cnt << endl;
return 0;
}
再例如,使用CAS操作实现无锁的链式栈(部分代码):
cpp
#pragma once
#include <atomic>
template <typename T>
class Node
{
int _val;
Node* _next;
Node(int val = 0, Node* next = nullptr)
:_val(val)
,_next(next)
{ }
};
template <typename T>
class LockFreeStack
{
public:
void push(const T& val)
{
Node<T>* newNode = new Node<T>(val, _head.load());
while (!_head.compare_exchange_weak(newNode->next, newNode));
}
private:
std::atomic<Node<T>*> _head = nullptr;
};
1.3 内存序(Memory Order)
std::atomic 的所有操作都可指定内存序参数(默认 std::memory_order_seq_cst),用于控制:
- 指令重排序:编译器 / CPU 是否会重排原子操作的前后指令;
- 内存可见性:一个线程的写操作对另一个线程的读操作的可见性。
例如:
|--------------------------|--------------------------------------------|
| 内存序枚举值 | 含义 |
| memory_order_relaxed | 松散序 :仅保证操作本身原子性,无可见性 / 重排序约束(最弱) |
| memory_order_consume | 消费序 :保证对依赖于该原子操作的读写不重排(C++20 已弃用) |
| memory_order_acquire | 获取序 :读操作,禁止后续指令重排到该操作前,且能看到之前的释放操作 |
| memory_order_release | 释放序 :写操作,禁止之前指令重排到该操作后,且写结果对获取序可见 |
| memory_order_acq_rel | 同时具备 acquire 和 release 语义(用于读写操作,如 CAS) |
| memory_order_seq_cst | 顺序一致序 :所有线程看到的操作顺序一致(最强,默认,性能最差) |
通常来说使用默认内存序即可,各内存序的效率差别实际上并不大,优先保证正确性。在要求极致性能的场景下,我们再考虑对内存序进行优化。
2. 原子操作实现自旋锁
cpp
#pragma once
#include <atomic>
class SpinLock1
{
public:
void lock()
{
// exchange: 将对象值设置为参数值,返回原本的值
while (_flag.exchange(true))
{
// 自旋等待锁释放
}
}
void unlock()
{
_flag.store(false);
}
private:
std::atomic<bool> _flag = false;
};
class SpinLock2
{
public:
void lock()
{
while (_flag.test_and_set())
{
// 自旋等待锁释放
}
}
void unlock()
{
_flag.clear();
}
private:
std::atomic_flag _flag = ATOMIC_FLAG_INIT;
};
3. 无锁队列
未来补充。。。