C++原子变量及内存模型

C++中的原子变量通过原子操作提供了一种管理并发访问的机制，它是在C++11及以后的标准中引入的。这些操作确保了当多个线程尝试同时更新同一个变量时，该变量的行为是可预测和一致的。

C++内存模型

C++的内存模型定义了如何在多线程环境中操作内存，确保数据的一致性和同步。它是构建在几个关键概念之上的：

1. 执行顺序 (Execution Order): 程序的执行顺序分为两类：顺序一致性和修饰过的顺序。顺序一致性模型是一个理想化的模型，它假设所有操作（如读或写）都是按照程序的顺序原子性地发生。而现实中，由于优化和效率的需要，编译器和处理器会对指令顺序进行重排序。

2. 原子操作 (Atomic Operations): 原子操作保证在执行过程中不会被其他操作打断，从而避免出现数据竞争。原子操作在C++中通过 std::atomic 类模板实现。

3. 内存顺序 (Memory Order): 内存顺序是与原子操作相关的概念，用于描述不同操作之间的偏序关系。C++标准定义了多种内存顺序，如 memory_order_relaxed, memory_order_acquire, memory_order_release, memory_order_acq_rel 和 memory_order_seq_cst。

4. 数据竞争 (Data Races): 当两个或多个线程同一时间无同步地访问相同的内存位置，并且至少有一个线程在写入时，就会发生数据竞争，可能产生未定义行为。原子操作可以避免数据竞争。

使用原子类型

在C++中，原子类型通过 std::atomic 类模板提供，这为基本数据类型（如 int, long, bool 等）提供了原子性封装。使用原子类型可以确保即便是在多线程环境下，对共享数据的任何操作都是原子的，即这些操作不可被分割，能够保证操作的完整性不受其他线程干预。

例如：

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

// 安全地在多个线程中递增counter
void safe_increment() {
    atomic_counter.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed);
}

在这里，fetch_add 是一个原子操作，它递增原子变量 atomic_counter，而且保证了操作的原子性。

内存顺序选项

• memory_order_relaxed: 仅保证操作的原子性，不保证操作之间的同步或顺序。
• memory_order_acquire: 保证此原子操作读取或修改的变量被当前线程“获取”，它保证了读取或修改在这个操作之前的操作都已完成。
• memory_order_release: 保证当前线程对此原子操作读取或修改的变量完成了“释放”，保证了此操作和之后的所有写操作都不会重排序。
• memory_order_acq_rel: 结合了 memory_order_acquire 和 memory_order_release 的特性。
• memory_order_seq_cst: 最严格的内存顺序，同时具有“获取”和“释放”的性质，保证全局执行顺序的一致性。

原子操作的内存模型为处理器和编译器的优化提供了边界，同时提供了在多线程编程中保护共享数据的一种有效方法。

直接看概念不太容易理解，下面举例说明一下：

#include 
#include 
#include 

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

void producer() {
    data = 100; // 设置数据
    ready.store(true, std::memory_order_release); // 释放存储
}

void consumer() {
    while (!ready.load(std::memory_order_acquire)) { // 获取加载
        // 等待数据准备好
    }
    assert(data == 100); // 此时数据必须是100
}

int main() {
    std::thread t1(producer);
    std::thread t2(consumer);
    t1.join();
    t2.join();
    
    return 0;
}

在这个例子中，producer 线程设置了一个数据值并将 ready 原子变量设置为 true 使用 memory_order_release。这样执行 store 操作时，之前的任何非原子写入（比如对 data 的写入）都必须先行发生，即这些写入必须在设置 ready 为 true 之前完成。

consumer 线程一直在循环中等待 ready 变为 true。当使用 memory_order_acquire 读取 ready 并发现其为 true 时，它可以确保 producer 线程中 ready 之前所有的写入对 consumer 线程都是可见的，特别是对于 data 的写入。因此这个时候 assert(data == 100) 断言肯定成立，因为所有对 data 的写操作都已经在存储 ready 前发生，所以 consumer 线程可以安全的读取 data。

memory_order_acquire 和 memory_order_release 组合使用可以创建所谓的 “同步关系”，确保两个线程在共享数据上的正确协作。