C++原子操作有哪些使用场景 - 问答

C++11 引入了原子类型（std::atomic），它提供了一种在多线程环境中安全地执行操作的方法。原子操作主要用于以下几种场景：

避免数据竞争：当多个线程同时访问共享数据时，如果没有正确地同步，可能会导致数据竞争（data race）。原子操作可以确保在同一时刻只有一个线程能够访问共享数据，从而避免数据竞争。

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

// 线程 1
shared_counter++;

// 线程 2
shared_counter--;

实现无锁数据结构：原子操作可以用于实现无锁数据结构，如无锁队列、无锁栈等。这些数据结构在多线程环境中具有更高的性能，因为它们不需要使用锁来同步访问。

template <typename T>
class lock_free_stack {
private:
    struct Node {
        T data;
        Node* next;
        Node(T data) : data(data), next(nullptr) {}
    };

    Node* head;
    Node* tail;
    std::atomic<Node*> atomic_head;
    std::atomic<Node*> atomic_tail;

public:
    lock_free_stack() : head(nullptr), tail(nullptr), atomic_head(nullptr), atomic_tail(nullptr) {}

    // 其他成员函数，如 push、pop 等
};

原子变量作为标志位：原子类型可以用作线程间的同步标志位，用于指示某个条件是否满足。例如，可以使用原子布尔变量来表示某个任务是否已经完成。

std::atomic<bool> task_completed(false);

// 线程 1
task_completed = true;

// 线程 2
if (task_completed) {
    // 处理任务完成后的逻辑
}

原子操作与内存顺序：原子操作支持不同的内存顺序（memory order），如 memory_order_relaxed、memory_order_acquire、memory_order_release 和 memory_order_seq_cst。这些内存顺序可以用于控制编译器和处理器对原子操作的优化，以确保正确的同步行为。

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

// 线程 1
shared_data.store(1, std::memory_order_release);

// 线程 2
int value = shared_data.load(std::memory_order_acquire);

总之，C++原子操作在多线程编程中非常有用，它们可以帮助程序员编写更安全、更高效的多线程代码。

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