C++之std::atomic类模板原子操作应用总结(二百三十九)

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1.前言

本篇目的：理解C++之std::atomic模板类函数load、store、exchange、increment、decrement、fetch_add、fetch_sub、fetch_and、fetch_or、fetch_xor用法。

std::atomic模板类作用

C++的std::atomic是一个模板类，用于实现原子操作。它提供了一种线程安全的方式来对共享数据进行操作，以避免竞态条件。

1. 实现原子操作：std::atomic提供了一系列的成员函数，可用于对变量进行原子操作，包括读取、写入和修改。这些操作能够确保在多线程环境下，对共享数据的操作不会发生冲突或产生竞态条件。

2. 线程同步：std::atomic提供了一种同步机制，用于保证多线程环境下的数据一致性。通过使用std::atomic的成员函数，可以实现不同线程间的同步操作，确保每个线程对共享数据的访问是有序的。

3. 原子性操作：std::atomic操作是原子的，即不可中断的。当多个线程同时对同一个std::atomic对象进行操作时，操作会以原子的方式执行，不会出现数据不一致或异常的情况。

4. 替代锁机制：在某些情况下，std::atomic可以替代传统的互斥锁机制。使用std::atomic进行原子操作，可以避免锁的开销和线程等待的问题，从而提高程序的性能。

std::atomic的作用是提供一种线程安全的方式来操作共享数据，保证数据的一致性和原子性，避免多线程环境下的竞态条件和冲突。它是C++多线程编程中常用的工具之一。

2.std::atomic模板类函数load、store、exchange、increment、decrement、fetch_add、fetch_sub、fetch_and、fetch_or、fetch_xor介绍

1. std::atomic模板类的成员函数（load、store、exchange、increment、decrement、fetch_add、fetch_sub、fetch_and、fetch_or、fetch_xor）的实现原理是通过使用硬件级别的支持或者特殊的指令集来实现的。

2. 在现代的计算机架构中，通常会提供原子操作的指令，例如比较交换指令（Compare-and-Swap）或交换指令（Exchange），这些指令可以保证对共享变量的操作是原子的，不会被其他线程的操作中断或交叉。

3. std::atomic模板类的成员函数会使用这些硬件级别的原子指令来实现原子操作。具体的实现方式可能因不同的编译器、平台和架构而有所差异，但其基本原理是一致的。

4. 这些原子操作的作用是为了在多线程环境中实现线程安全的操作。使用原子操作可以避免竞争条件（Race Condition）的问题，在多个线程同时对共享变量进行操作时，能够确保操作的原子性，保证数据的一致性和正确性。

5. 原子操作可以应用于各种并发编程场景，例如引用计数、无锁数据结构、自旋锁、并行算法等。通过使用std::atomic模板类提供的原子操作函数，可以方便地在多线程环境中进行原子操作，避免了需要显式加锁的复杂性和开销。

6. std::atomic模板类的成员函数的作用是实现线程安全的原子操作，利用硬件级别的支持或者特殊的指令集，保证对共享变量的操作是原子的，避免了竞争条件的问题。这些原子操作可以应用于各种并发编程场景，提供了一种简单、高效和可靠的线程安全机制。

3.应用实例

1. load():

   • 描述：返回当前std::atomic对象的值。
   • 用法：T load(std::memory_order order = std::memory_order_seq_cst) const noexcept;
   • 示例：

   #include 
   
   int main() {
       std::atomic<int> num(42);
       int value = num.load();
       std::cout << "Value: " << value << std::endl;
       return 0;
   }
   

2. exchange():

   • 描述：用给定的值替换std::atomic对象的值，并返回替换之前的值。
   • 用法：T exchange(T desired, std::memory_order order = std::memory_order_seq_cst) noexcept;
   • 示例：

   #include 
   
   int main() {
       std::atomic<int> num(42);
       int old_value = num.exchange(10);
       std::cout << "Old value: " << old_value << std::endl;
       std::cout << "New value: " << num.load() << std::endl;
       return 0;
   }
   

3. increment():

   • 描述：将std::atomic对象的值递增1，并返回递增之前的值。
   • 用法：T increment(std::memory_order order = std::memory_order_seq_cst) noexcept;
   • 示例：

   #include 
   
   int main() {
       std::atomic<int> num(42);
       int old_value = num++;
       std::cout << "Old value: " << old_value << std::endl;
       std::cout << "New value: " << num.load() << std::endl;
       return 0;
   }
   

4. decrement():

   • 描述：将std::atomic对象的值递减1，并返回递减之前的值。
   • 用法：T decrement(std::memory_order order = std::memory_order_seq_cst) noexcept;
   • 示例：

   #include 
   
   int main() {
       std::atomic<int> num(42);
       int old_value = num--;
       std::cout << "Old value: " << old_value << std::endl;
       std::cout << "New value: " << num.load() << std::endl;
       return 0;
   }
   

5. fetch_add():

   • 描述：将给定的值加到std::atomic对象的值上，并返回加之前的值。
   • 用法：T fetch_add(T arg, std::memory_order order = std::memory_order_seq_cst) noexcept;
   • 示例：

   #include 
   
   int main() {
       std::atomic<int> num(42);
       int old_value = num.fetch_add(10);
       std::cout << "Old value: " << old_value << std::endl;
       std::cout << "New value: " << num.load() << std::endl;
       return 0;
   }
   

6. fetch_sub():

   • 描述：将给定的值从std::atomic对象的值中减去，并返回减之前的值。
   • 用法：T fetch_sub(T arg, std::memory_order order = std::memory_order_seq_cst) noexcept;
   • 示例：

   #include 
   
   int main() {
       std::atomic<int> num(42);
       int old_value = num.fetch_sub(10);
       std::cout << "Old value: " << old_value << std::endl;
       std::cout << "New value: " << num.load() << std::endl;
       return 0;
   }
   

7. fetch_and():

   • 描述：将std::atomic对象的值与给定的值进行按位与操作，并返回按位与之前的值。
   • 用法：T fetch_and(T arg, std::memory_order order = std::memory_order_seq_cst) noexcept;
   • 示例：

   #include 
   
   int main() {
       std::atomic<int> num(42);
       int old_value = num.fetch_and(10);
       std::cout << "Old value: " << old_value << std::endl;
       std::cout << "New value: " << num.load() << std::endl;
       return 0;
   }
   
   

8. fetch_or():

   • 描述：将std::atomic对象的值与给定的值进行按位或操作，并返回按位或之前的值。
   • 用法：T fetch_or(T arg, std::memory_order order = std::memory_order_seq_cst) noexcept;
   • 示例：

   #include 
   
   int main() {
       std::atomic<int> num(42);
       int old_value = num.fetch_or(10);
       std::cout << "Old value: " << old_value << std::endl;
       std::cout << "New value: " << num.load() << std::endl;
       return 0;
   }
   

9. fetch_xor():

   • 描述：将std::atomic对象的值与给定的值进行按位异或操作，并返回按位异或之前的值。
   • 用法：T fetch_xor(T arg, std::memory_order order = std::memory_order_seq_cst) noexcept;
   • 示例：

   #include 
   
   int main() {
       std::atomic<int> num(42);
       int old_value = num.fetch_xor(10);
       std::cout << "Old value: " << old_value << std::endl;
       std::cout << "New value: " << num.load() << std::endl;
       return 0;
   }
   

10.store()

• 描述：std::atomic的store函数用于将给定的值存储到std::atomic对象中。
• 用法：template void store(T value, std::memory_order order = std::memory_order_seq_cst) noexcept;
• 示例：

#include 
#include 

int main() {
    std::atomic<int> value;

    // 使用store函数将给定的值存储到std::atomic对象中
    value.store(42);

    // 打印存储后的值
    std::cout << "Value: " << value.load() << std::endl;

    return 0;
}