c++如何使用std::atomic原子操作_c++ 无锁编程基础与并发冲突解决【方法】

std::atomic 禁止拷贝构造和赋值以保障原子性，必须用 load/store 或 fetch_add/compare_exchange 等原子操作；compare_exchange_weak 因伪失败更高效，推荐循环使用；内存序需按需选择，错用易致数据竞争；T 需 trivially copyable 且尺寸适配，否则退化为加锁。

std::atomic 为什么不能直接赋值或拷贝

因为 std::atomic 禁止了拷贝构造和拷贝赋值操作符，这是为保证原子性不被意外破坏。试图写 std::atomic a = b; 或 auto c = a; 会触发编译错误：use of deleted function。

• 必须用 .load() 读取当前值（可指定内存序）
• 必须用 .store(x) 写入新值（同样支持内存序）
• 需要“读-改-写”时，优先用 .fetch_add()、.compare_exchange_weak() 等原子成员函数

compare_exchange_weak 和 compare_exchange_strong 怎么选

两者都实现 CAS（Compare-and-Swap），但 compare_exchange_weak 允许伪失败（spurious failure）：即使预期值匹配，也可能返回 false。这在某些平台（如 x86 上少见，ARM 上较常见）由底层指令限制导致。

• 循环中使用时，weak 版本通常性能更好，推荐作为默认选择
• strong 版本保证“值不匹配才失败”，适合不能容忍重试逻辑的场景（如单次尝试关键路径）
• 务必配合 do-while 循环使用，避免漏掉失败重试

std::atomic counter{0};
int expected = counter.load();
do {
    int desired = expected + 1;
} while (!counter.compare_exchange_weak(expected, desired));

内存序（memory order）不是可有可无的配置项

省略内存序参数（如只写 a.store(42)）等价于 a.store(42, std::memory_order_seq_cst)，即最强一致性。但多数场景不需要这么重的同步开销。

• std::memory_order_relaxed：仅保证原子性，不约束前后内存访问顺序 —— 计数器、标志位常用
• std::memory_order_acquire：用于读操作，确保之后的读/写不被重排到它前面
• std::memory_order_release：用于写操作，确保之前的读/写不被重排到它后面
• acquire-release 配对可实现线程间同步，而无需全局顺序

错用内存序不会报错，但可能引发极难复现的数据竞争 —— 比如把 relaxed 误用于需同步的 flag 变量，会导致另一线程看到“部分初始化”的对象。

std::atomic 对 T 的类型要求很实际

并非所有类型都能套 std::atomic。编译期会检查 T 是否为 trivially copyable，且大小不能超过平台支持的原子指令宽度（通常 ≤ 16 字节，x86-64 下一般 ≤ 8 字节）。

• 基本类型（int、long long、指针）基本都 OK
• 自定义结构体只有满足 std::is_trivially_copyable_v 且不含虚函数、非平凡构造/析构时，才可能被接受
• 即使满足条件，若尺寸过大（如 32 字节 struct），GCC/Clang 会退化为内部加锁实现 —— 此时已不是“无锁”，且性能下降明显
• 不确定时，用 static_assert(std::atomic::is_always_lock_free) 显式校验

无锁编程真正的门槛不在语法，而在对共享状态变更边界的精确刻画。一个 std::atomic_flag 能安全自旋，但若把它和非原子字段混在同一缓存行里，就可能因 false sharing 拖垮性能 —— 这类问题不会报错，只会让多核跑得比单核还慢。