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2025/12/22 21:24:28
原子操作（Atomic Operations）是并发编程和系统底层开发中的核心概念，指不可被中断的、要么全部执行成功、要么完全不执行的操作。在多线程或多处理器环境中，原子操作确保对共享数据的访问是线程安全的，无需额外加锁。
一、核心特性
| 特性 | 说明 |
|---|---|
| 不可分割性 | 操作在执行过程中不会被其他线程或 CPU 中断。 |
| 内存可见性 | 操作结果对所有处理器/线程立即可见（通常配合内存屏障）。 |
| 顺序一致性（可选） | 可通过内存序（memory order）控制操作的重排序行为。 |
二、常见原子操作原语
| 原语 | 功能 | 典型用途 |
|---|---|---|
load | 原子读取变量值 | 安全读取共享状态 |
store | 原子写入新值 | 安全更新标志位等 |
exchange/swap | 原子交换旧值与新值，并返回旧值 | 实现自旋锁（如test_and_set） |
compare_and_swap(CAS) | 若当前值等于期望值，则更新为新值 | 无锁数据结构、乐观并发控制 |
fetch_and_add | 原子加法并返回加之前的值 | 计数器、Ticket 自旋锁 |
fetch_and_sub/fetch_and_and/fetch_and_or等 | 原子复合操作 | 位标志管理、引用计数等 |
注：这些操作通常作用于整型或指针类型，且要求自然对齐（如 4 字节对齐的 int）。
三、硬件支持
不同架构提供不同的原子指令：
- x86/x86-64：
LOCK前缀指令（如lock xadd,lock cmpxchg）xchg指令天然原子
- ARM：
LDREX/STREX（Load-Exclusive / Store-Exclusive）
- RISC-V：
amo*指令（如amoswap,amoaddd）
操作系统和编译器将这些指令封装为高级语言可用的接口。
四、编程语言支持
C11 / C++11（标准方式）
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#include <stdatomic.h> atomic_int counter = ATOMIC_VAR_INIT(0); atomic_fetch_add(&counter, 1); // 原子加 1编辑
#include <atomic> std::atomic<int> flag{0}; flag.store(1, std::memory_order_release);GCC / Clang 内建函数（兼容旧标准）
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// 已弃用但广泛使用 __sync_fetch_and_add(&var, 1); __sync_bool_compare_and_swap(&var, old, new); // 推荐：__atomic 系列（C11 风格） __atomic_load_n(&var, __ATOMIC_ACQUIRE); __atomic_compare_exchange_n(&var, &expected, desired, false, __ATOMIC_ACQ_REL, __ATOMIC_RELAXED);Rust
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use std::sync::atomic::{AtomicUsize, Ordering}; static COUNTER: AtomicUsize = AtomicUsize::new(0); COUNTER.fetch_add(1, Ordering::SeqCst);五、内存顺序（Memory Ordering）
原子操作可指定内存序，平衡性能与正确性：
| 内存序 | 说明 |
|---|---|
memory_order_relaxed | 仅保证原子性，无同步或顺序约束（最快） |
memory_order_acquire | 读操作后，禁止后续读写重排到之前（用于“获取”锁） |
memory_order_release | 写操作前，禁止前面读写重排到之后（用于“释放”锁） |
memory_order_acq_rel | 同时具备 acquire 和 release 语义（如 CAS 成功时） |
memory_order_seq_cst | 全局顺序一致（默认，最安全但最慢） |
示例：自旋锁通常使用
acquire（加锁）和release（解锁）语义。
六、典型应用场景
无锁（Lock-Free）数据结构
如队列、栈、哈希表，使用 CAS 实现线程安全。引用计数
shared_ptr的引用计数使用fetch_add/fetch_sub。标志位与状态机
如shutdown_flag，用store/load安全通信。自旋锁与轻量级同步
基于exchange或test_and_set实现。性能计数器
多线程统计命中次数等。
七、注意事项
- ❌不是所有操作都是原子的：普通
i++不是原子操作！ - ✅对齐很重要：未对齐的原子操作可能退化为非原子或引发异常。
- ⚠️避免过度使用：原子操作仍有开销（缓存行锁定、总线事务）。
- 🔒不能替代所有锁：复杂临界区仍需互斥锁。
总结一句话：
原子操作是构建高效、正确并发程序的基石，它以硬件支持的不可分割性，实现无锁或轻量级的线程同步。
掌握其原理、原语和内存模型，是编写高性能并发代码的关键。