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詳解C++11原子操作

原子操作的概念

所謂原子操作，其意義就是“原子是最小的，不可分割的最小個體”。**表示當多個線程訪問同一個全局資源的時候，能夠確保所有其它的線程都不在同一時間訪問相同的資源。**也就是它確保在同一時刻只有唯一的線程對這個資源進行訪問。類似于共享資源的訪問保護。但是原子操作更加接近底層，即效率更高。

在以往C++中沒有原子操作的規定，更多使用的都是匯編語言或者借助第三方庫，如Intel的pthread來實現。但在C++11中的特性引入原子操作的相關概念，并通過新的頭文件提供了多種原子操作數據類型。如atomic_bool，atomic_int等。如果需要多個線程對這些類型的共享資源進行操作，編譯器將保證這些操作都是具有原子性的。通俗地說，就是確保在任意時刻只有一個線程對這個資源進行訪問，編譯器將保證多個線程訪問這個資源的正確性，從而避免鎖的使用，提高效率。

示例

#include <iostream>
#include <thread>//C++11線程庫且跨平臺
#include <windows.h>//Sleep函數需要使用的庫文件
using std::cout;
using std::endl;
using std::cin;
int g_total = 0;
void click()
{
	for (int i = 0; i < 1000000; i++)
	{
		g_total++;
	}
}

int main()
{
	for (int i = 0; i < 4; i++)
	{
		std::thread t(click);
		t.detach();
	}
	Sleep(1000);
	cout << "result:" << g_total << endl;
	return 0;
}

我們很正常的認為這樣做是可以提高CPU的利用效率的，但是實際上執行結果并不正確。

C++11原子操作詳解

緊接著，我們肯定想到使用互斥鎖對共享資源進行保護。

#include <iostream>
#include <thread>//C++11線程庫是跨平臺的
#include <mutex>//C++11互斥鎖
#include <windows.h>//Sleep函數需要使用的庫文件
using std::cout;
using std::endl;
using std::cin;

int g_total = 0;
std::mutex g_mutex;
void click()
{
	for (int i = 0; i < 1000000; i++)
	{
		g_mutex.lock();//訪問之前鎖定互斥對象
		g_total++;
		g_mutex.unlock();//訪問之后釋放互斥對象
	}
}

int main()
{
	for (int i = 0; i < 4; i++)
	{
		std::thread t(click);
		t.detach();
	}
	Sleep(1000);
	cout << "result:" << g_total << endl;
	return 0;
}

初始對象的使用，保證同一時刻只有唯一一個線程對這個共享對象進行訪問。

C++11原子操作詳解

在C++11之前，互斥鎖的概念已經足夠了，但是在C++11提出之后，進一步利用CPU性能。在C++11中實現了原子操作的數據類型（如atomic_bool，atomic_int等）。使用原子操作的數據類型線程對其進行訪問的時候無需借助mutex等鎖機制，也能實現對共享資源的正確訪問。

#include <iostream>
#include <thread>//C++11線程庫是跨平臺的
#include <atomic>//C++11原子操作庫
#include <windows.h>//Sleep函數需要使用的庫文件
using std::cout;
using std::endl;
using std::cin;
std::atomic_int g_total = 0;//使用原子操作的數據類型
void click()
{
	for (int i = 0; i < 1000000; i++)
	{
		//mutex.lock();
		g_total++;
		//mutex.unlock();
	}
}

int main()
{
	for (int i = 0; i < 4; i++)
	{
		std::thread t(click);
		t.detach();
	}
	Sleep(1000);
	cout << "result:" << g_total << endl;
	return 0;
}

C++11原子操作詳解