怎样用C++实现无锁编程原子操作和内存顺序实战-C++-PHP中文网

怎样用C++实现无锁编程原子操作和内存顺序实战

P粉602998670

发布： 2025-07-05 11:23:01

原创

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在c++++中实现无锁编程的核心在于原子操作和内存顺序。1. 原子操作确保变量操作不可分割，如使用std::atomic<int>避免多线程下的数据竞争；2. 内存顺序控制线程间操作顺序，如memory_order_release与memory_order_acquire用于同步读写；3. 注意事项包括避免滥用memory_order_relaxed、防止aba问题及确保逻辑顺序设计合理。通过封装共享数据和遵循规范，可写出稳定高效的无锁代码。

怎样用C++实现无锁编程原子操作和内存顺序实战

想在C++里实现无锁编程，核心就是原子操作和内存顺序。这东西听起来高大上，其实只要理解了几个关键点，就能写出靠谱的代码。

什么是原子操作？为什么需要它？

简单说，原子操作就是“要么全做，要么不做”的操作。比如你对一个变量进行自增（x++），如果多个线程同时执行这个操作，结果就会出错。而用原子类型，像 std::atomic<int>，就可以保证每个操作都是原子的，不会被其他线程打断。

C++标准库提供了一个模板类 std::atomic<T>，可以用来包装各种基本类型，比如 int、指针等。它内部已经处理好了同步问题，你只需要按规范使用就行。

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举个例子：

std::atomic<int> counter(0);
void increment() {
    for (int i = 0; i < 100000; ++i) {
        counter.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed);
    }
}

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这样多个线程调用 increment() 就不会出现数据竞争的问题。

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内存顺序的作用和选择

光有原子操作还不够，还要注意内存顺序（memory order）。这是控制多线程下读写顺序的关键机制。常见的选项有：

memory_order_relaxed：最宽松，只保证原子性，不保证顺序。
memory_order_acquire / memory_order_release：用于同步两个线程之间的操作。
memory_order_seq_cst（默认）：最强一致性，所有线程看到的操作顺序一致。

选哪个要看场景。比如你要做一个标志位通知另一个线程，这时候可以用 release 和 acquire 配合。例如：

std::atomic<bool> ready(false);
int data = 0;

void thread1() {
    data = 42;
    ready.store(true, std::memory_order_release); // 写操作+释放
}

void thread2() {
    while (!ready.load(std::memory_order_acquire)) { // 读操作+获取
        std::this_thread::yield();
    }
    assert(data == 42); // 这里能保证看到data的修改
}

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这里的关键是：release 保证前面的写操作在 store 之前完成，acquire 保证后面的读操作在 load 之后才执行。这样就实现了线程间有序性。

常见陷阱和注意事项

搞无锁编程容易踩坑的地方不少，下面列几个比较常见的：

别随便用 relaxed：虽然性能好，但不保证顺序，容易导致逻辑错误。
别混用不同顺序模型：比如一个地方用 release，另一个地方用 relaxed，可能达不到预期同步效果。
避免ABA问题：如果你用原子指针实现无锁栈或队列，要注意值被改回来又改回去的情况。这时候可以考虑用 std::atomic_compare_exchange_weak 来做检查再替换。
测试很难覆盖所有情况：并发问题有时候跑几十次都没事，换台机器就挂。所以设计阶段就要想清楚逻辑顺序。