std::atomic仅支持平凡可复制且无用户定义构造/析构/赋值的类型,如int、指针、固定宽度整型;C++20起才正式支持浮点类型;必须显式初始化,自定义类型需满足trivially copyable且大小通常≤16字节。

atomic 的基本用法和类型限制
不能对任意类型使用 std::atomic,只有满足 trivially copyable 且不包含用户定义构造/析构/赋值的类型才可特化。常见可用类型包括 int、long long、bool、指针(如 int*),以及固定宽度整型(如 std::atomic)。
浮点类型(如 float、double)在 C++20 前不被标准保证支持,部分编译器(如 GCC)提供扩展支持,但行为不可移植;C++20 起才正式纳入 std::atomic 等。
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std::atomic对象必须显式初始化,不能依赖默认构造(除非是 POD 类型且你接受零初始化) - 不要对
std::atomic<:string>或std::atomic<:vector>>这类类型做特化——编译会失败 - 若需原子操作自定义结构体,必须确保其内存布局平凡(
std::is_trivially_copyable_v为 true),且大小不超过平台最大原子操作宽度(通常 ≤ 16 字节,x86-64 下多数支持 ≤ 16B,但std::atomic<__m128>非标)
load/store 与 memory_order 的实际取舍
最常误用的是把所有操作都写成 memory_order_seq_cst(默认),它安全但可能拖慢性能;而过度使用 memory_order_relaxed 又容易引发重排 bug。关键看是否需要同步其他变量。
典型场景:
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- 计数器累加(无依赖其他状态)→
fetch_add(1, std::memory_order_relaxed)足够 - 标志位通知(如
ready_flag.store(true, std::memory_order_release)配合另一线程ready_flag.load(std::memory_order_acquire))→ 构成 acquire-release 同步,保证此前所有写操作对另一线程可见 - 实现自旋锁或引用计数时,
compare_exchange_weak必须配合循环,且首次调用建议用memory_order_acquire(读),失败重试用memory_order_relaxed
std::atomicready{false}; // 线程 A data = 42; // 非原子写 ready.store(true, std::memory_order_release); // release:确保 data 写入不被重排到这之后 // 线程 B while (!ready.load(std::memory_order_acquire)) { / 自旋 / } // acquire:确保后续读 data 不被重排到这之前 std::cout << data << "\n"; // 此时能安全看到 42
compare_exchange_weak 和 compare_exchange_strong 的区别在哪
两者都尝试原子地比较并交换:若当前值等于期望值,则设为新值并返回 true;否则将当前值写回期望变量并返回 false。区别在于:weak 允许「伪失败」(spurious failure)——即使值匹配,也可能因底层 CAS 指令限制(如 x86 上 LOCK CMPXCHG8B 在某些旧 CPU 上的限制)而返回 false。
因此,weak 必须用在循环中;strong 无伪失败,但可能更慢(尤其在非 x86 平台)。绝大多数无锁数据结构(栈、队列节点插入)都用 weak + 循环。
- 单次尝试就足够?用
strong(例如初始化一次性的 flag) - 在循环里重试?优先选
weak,x86 下二者生成代码几乎一样,ARM 上weak更轻量 - 注意:期望值必须是左值(可被修改),因为失败时会写回当前值 —— 别传字面量或临时对象
std::atomiccounter{0}; int expected = 0; while (!counter.compare_exchange_weak(expected, 1, std::memory_order_acquire)) { // 若失败,expected 已被更新为当前值;继续循环即可 }
无锁编程中最容易被忽略的内存泄漏和 ABA 问题
无锁结构(如链表栈)删除节点时,不能直接 delete node —— 其他线程可能正处在 compare_exchange_weak 中间,还持有该节点指针。这就是经典的内存回收难题,需配合 Hazard Pointer 或 RCU 或 epoch-based reclamation。
ABA 问题更隐蔽:线程 A 读到指针 p == 0x1000,被抢占;线程 B 把该节点弹出、释放、又新建一个新节点恰好复用了 0x1000 地址;A 恢复后执行 CAS 成功,却误以为还是原来那个节点。
- 简单规避:用
std::atomic<:pair int>>包装指针+版本号(tagged pointer),每次修改指针时递增 tag(x86-64 下低 3 位通常未用,可作 tag) - 不要依赖
std::shared_ptr自动管理——其控制块本身不是无锁的,且load()不是原子的 -
标准库没提供通用无锁内存回收机制,
boost::lockfree内部用了 epoch-based,但生产环境仍建议优先评估是否真需要无锁,还是用std::mutex+ 细粒度锁更稳妥
真正难的从来不是写对一个 fetch_add,而是确认整个状态转换图在所有线程交错下仍保持不变量,以及——谁来安全回收那块内存。









