欢迎关注本公众号，专注面试题拆解
分享一套视频课程:《C++实现百万并发服务器》 面试需要项目的可以找我获取，免费分享。 欢迎V：fb964919126
面试题：如何理解C++中的atomic？
我们分别从原子操作概念、底层实现、与锁的比较 三个方面来拆解。
01
原子操作概念
原子操作指的是不可分割的操作，即这些操作要么全部完成，要么完全不执行，在多线程环境下不会被其他线程中断。这种特性对于实现线程安全的程序至关重要，尤其是在共享资源需要被多个线程访问和修改的情况下。原子操作保证了对某个变量的一次读取-修改-写回操作是作为一个整体来执行的，中间不会被其他线程干扰，从而避免了数据竞争（data race）的问题。
02
底层实现
在C++中，std::atomic 是标准库提供的一个模板类，用于支持原子操作。std::atomic 的底层实现依赖于硬件支持和编译器优化。不同的处理器架构提供了不同程度的原子操作支持。
1、CPU指令级支持
现代CPU通常提供一组专门用于执行原子操作的指令。
例如：
x86架构：使用如 XCHG、CMPXCHG 等指令。
ARM架构：使用 LDREX/STREX 或者在较新的版本中直接使用 LDXR/STXR 指令。
这些指令确保了单个操作（如读取-修改-写回）是原子性的，即整个过程要么全部完成，要么完全不发生。
2、编译器生成代码
C++编译器负责将 std::atomic 相关的操作转换为适当的机器码。这意味着编译器必须了解目标平台的原子操作指令，并正确地生成这些指令。此外，编译器还需要处理内存顺序约束，以确保不同原子操作之间的可见性和顺序关系符合程序员指定的要求。
C++11引入了std::memory_order枚举来指定不同类型的内存顺序。这些内存顺序控制着原子操作的可见性以及它们对其他线程的影响。以下是主要的几种内存顺序：
01
std::memory_order_relaxed:
这是最宽松的内存顺序。
它仅保证原子操作本身的原子性，但不提供任何关于其他读写操作顺序的保证。
适用于那些不需要严格排序的计数器或状态标志等场景。
02
std::memory_order_acquire:
用于读取操作。
确保从当前线程的角度来看，所有后续的内存访问都不会被重排到该读取之前。
通常与std::memory_order_release配合使用，以实现“发布-获取”语义。
03
std::memory_order_release:
用于写入操作。
确保从当前线程的角度来看，所有先前的内存访问都不会被重排到该写入之后。
通常与std::memory_order_acquire配合使用，以实现“发布-获取”语义。
04
std::memory_order_acq_rel:
用于读-修改-写操作（如fetch_add、exchange等）。
结合了acquire和release的行为。
确保之前的内存访问不会被重排到此操作之后，并且后续的内存访问也不会被重排到此操作之前。
05
std::memory_order_consume:
与std::memory_order_acquire类似，但更弱一些。
它确保从当前线程的角度来看，所有后续的依赖于该变量的内存访问都不会被重排到该读取之前。
主要用于那些只关心特定数据依赖关系的情况，而不是整个程序的所有内存访问顺序。
06
std::memory_order_seq_cst:
提供最强的内存顺序保证。
不仅保证原子操作的顺序一致性，还确保所有线程看到的操作顺序是一致的。
适用于需要强一致性保证的情况，但可能带来额外的性能开销。
std::atomic默认的约束是std::memory_order_seq_cst，这意味着，如果没有显式指定其他内存顺序，所有原子操作将按照顺序一致性来执行。顺序一致性保证了以下几点：
全局一致的顺序：所有线程看到的操作顺序是一致的。
原子性：每个原子操作都是不可分割的。
同步操作：std::memory_order_seq_cst 的读和写操作可以作为同步点，确保某些操作之间的可见性和顺序。
03
与锁的比较
std::atomic非常适合处理计数器、标志位等简单情况，在这些简单的场景下，std::atomic通常比传统的锁机制（如std::mutex）具有更好的性能表现，因为它们不需要操作系统级别的上下文切换，原子操作都是硬件级别的操作。然而，对于复杂的数据结构或大量连续的修改操作，使用锁可能是更优的选择。
04
总结
std::atomic 是 C++ 标准库中用于处理多线程环境下原子操作的强大工具，它是硬件级别的。它通过硬件支持和编译器优化，确保了对共享数据的访问是不可分割的，从而避免了数据竞争问题。
end
CppPlayer
关注，回复【电子书】珍藏CPP电子书资料赠送
精彩文章合集
专题推荐
