C++11提供了一个原子类型std::atomic<T>,通过这个原子类型管理的内部变量就可以称之为原子变量,我们可以给原子类型指定任意的类型作为模板参数,因此原子变量也可以是任意的类型。

C++11内置了整形的原子变量,这样就可以更方便的使用原子变量了。在多线程操作中,使用原子变量之后就不需要再使用互斥量来保护该变量了,用起来更简洁。因为对原子变量进行的操作只能是一个原子操作(atomic operation),原子操作指的是不会被线程调度机制打断的操作,这种操作一旦开始,就一直运行到结束,中间不会有任何的上下文切换。多线程同时访问共享资源造成数据混乱的原因就是因为CPU的上下文切换导致的,使用原子变量解决了这个问题,因此互斥锁的使用也就不再需要了。

1. atomic 类成员

类定义

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// 定义于头文件 <atomic>
template< class T >
struct atomic;

通过定义可得知:在使用这个模板类的时候,一定要指定模板类型。

构造函数

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// ①
atomic() noexcept = default;
// ②
constexpr atomic( T desired ) noexcept;
// ③
atomic( const atomic& ) = delete;
  • 构造函数①:默认无参构造函数。
  • 构造函数②:使用 desired 初始化原子变量的值。
  • 构造函数③:拷贝构造函数,但是原子对象不能被复制,新的对象被复制,旧的对象被析构

公共成员函数

原子类型重载了=操作符,也有将原始数据直接赋值给原子变量对象,原子变量对象之间也可以赋值,赋值成功之后旧的对象会被删除。

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T operator=( T desired ) noexcept;
T operator=( T desired ) volatile noexcept;

atomic& operator=( const atomic& ) = delete;
atomic& operator=( const atomic& ) volatile = delete;

原子地以 desired 替换当前值。按照 order 的值影响内存。

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void store( T desired, std::memory_order order = std::memory_order_seq_cst ) noexcept;
void store( T desired, std::memory_order order = std::memory_order_seq_cst ) volatile noexcept;
  • desired:存储到原子变量中的值
  • order:强制的内存顺序

原子地加载并返回原子变量的当前值。按照 order 的值影响内存。直接访问原子对象也可以得到原子变量的当前值。

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T load( std::memory_order order = std::memory_order_seq_cst ) const noexcept;
T load( std::memory_order order = std::memory_order_seq_cst ) const volatile noexcept;

C++20新增成员

在C++20版本中添加了新的功能函数,可以通过原子类型来阻塞线程,和条件变量中的等待/通知函数是一样的。

公共成员函数 说明
wait(C++20) 阻塞线程直至被提醒且原子值更改
notify_one(C++20) 通知(唤醒)至少一个在原子对象上阻塞的线程
notify_all(C++20) 通知(唤醒)所有在原子对象上阻塞的线程

类型别名

别名 原始类型定义
atomic_bool(C++11) std::atomic<bool>
atomic_char(C++11) std::atomic<char>
atomic_schar(C++11) std::atomic<signed char>
atomic_uchar(C++11) std::atomic<unsigned char>
atomic_short(C++11) std::atomic<short>
atomic_ushort(C++11) std::atomic<unsigned short>
atomic_int(C++11) std::atomic<int>
atomic_uint(C++11) std::atomic<unsigned int>
atomic_long(C++11) std::atomic<long>
atomic_ulong(C++11) std::atomic<unsigned long>
atomic_llong(C++11) std::atomic<long long>
atomic_ullong(C++11) std::atomic<unsigned long long>
atomic_char8_t(C++20) std::atomic<char8_t>
atomic_char16_t(C++11) std::atomic<char16_t>
atomic_char32_t(C++11) std::atomic<char32_t>
atomic_wchar_t(C++11) std::atomic<wchar_t>
atomic_int8_t(C++11)(可选) std::atomic<std::int8_t>
atomic_uint8_t(C++11)(可选) std::atomic<std::uint8_t>
atomic_int16_t(C++11)(可选) std::atomic<std::int16_t>
atomic_uint16_t(C++11)(可选) std::atomic<std::uint16_t>
atomic_int32_t(C++11)(可选) std::atomic<std::int32_t>
atomic_uint32_t(C++11)(可选) std::atomic<std::uint32_t>
atomic_int64_t(C++11)(可选) std::atomic<std::int64_t>
atomic_uint64_t(C++11)(可选) std::atomic<std::uint64_t>
atomic_int_least8_t(C++11) std::atomic<std::int_least8_t>
atomic_uint_least8_t(C++11) std::atomic<std::uint_least8_t>
atomic_int_least16_t(C++11) std::atomic<std::int_least16_t>
atomic_uint_least16_t(C++11) std::atomic<std::uint_least16_t>
atomic_int_least32_t(C++11) std::atomic<std::int_least32_t>
atomic_uint_least32_t(C++11) std::atomic<std::uint_least32_t>
atomic_int_least64_t(C++11) std::atomic<std::int_least64_t>
atomic_uint_least64_t(C++11) std::atomic<std::uint_least64_t>
atomic_int_fast8_t(C++11) std::atomic<std::int_fast8_t>
atomic_uint_fast8_t(C++11) std::atomic<std::uint_fast8_t>
atomic_int_fast16_t(C++11) std::atomic<std::int_fast16_t>
atomic_uint_fast16_t(C++11) std::atomic<std::uint_fast16_t>
atomic_int_fast32_t(C++11) std::atomic<std::int_fast32_t>
atomic_uint_fast32_t(C++11) std::atomic<std::uint_fast32_t>
atomic_int_fast64_t(C++11) std::atomic<std::int_fast64_t>
atomic_uint_fast64_t(C++11) std::atomic<std::uint_fast64_t>
atomic_intptr_t(C++11)(可选) std::atomic<std::intptr_t>
atomic_uintptr_t(C++11)(可选) std::atomic<std::uintptr_t>
atomic_size_t(C++11) std::atomic<std::size_t>
atomic_ptrdiff_t(C++11) std::atomic<std::ptrdiff_t>
atomic_intmax_t(C++11) std::atomic<std::intmax_t>
atomic_uintmax_t(C++11) std::atomic<std::uintmax_t>

2. 原子变量的使用

假设我们要制作一个多线程交替数数的计数器,我们使用互斥锁和原子变量的方式分别进行实现,对比一下二者的差异:

2.1 互斥锁版本

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#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <atomic>
#include <functional>
using namespace std;

struct Counter
{
void increment()
{
for (int i = 0; i < 10; ++i)
{
lock_guard<mutex> locker(m_mutex);
m_value++;
cout << "increment number: " << m_value
<< ", theadID: " << this_thread::get_id() << endl;
this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(100));
}
}

void decrement()
{
for (int i = 0; i < 10; ++i)
{
lock_guard<mutex> locker(m_mutex);
m_value--;
cout << "decrement number: " << m_value
<< ", theadID: " << this_thread::get_id() << endl;
this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(100));
}
}

int m_value = 0;
mutex m_mutex;
};

int main()
{
Counter c;
auto increment = bind(&Counter::increment, &c);
auto decrement = bind(&Counter::decrement, &c);
thread t1(increment);
thread t2(decrement);

t1.join();
t2.join();

return 0;
}

2.2 原子变量版本

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#include <iostream>
#include <thread>
#include <atomic>
#include <functional>
using namespace std;

struct Counter
{
void increment()
{
for (int i = 0; i < 10; ++i)
{
m_value++;
cout << "increment number: " << m_value
<< ", theadID: " << this_thread::get_id() << endl;
this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(500));
}
}

void decrement()
{
for (int i = 0; i < 10; ++i)
{
m_value--;
cout << "decrement number: " << m_value
<< ", theadID: " << this_thread::get_id() << endl;
this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(500));
}
}
// atomic<int> == atomic_int
atoimc_int m_value = 0;
};

int main()
{
Counter c;
auto increment = bind(&Counter::increment, &c);
auto decrement = bind(&Counter::decrement, &c);
thread t1(increment);
thread t2(decrement);

t1.join();
t2.join();

return 0;
}

通过代码的对比可以看出,使用了原子变量之后,就不需要再定义互斥量了,在使用上更加简便,并且这两种方式都能保证在多线程操作过程中数据的正确性,不会出现数据的混乱。

原子类型atomic<T> 可以封装原始数据最终得到一个原子变量对象,操作原子对象能够得到和操作原始数据一样的效果,当然也可以通过store()load()来读写原子对象内部的原始数据。