C++并发编程：如何使用原子类和内存屏障？

C++ 并发编程：使用原子类和内存屏障保障并发安全

在多线程环境中，并发编程是处理共享资源的常见技术。然而，如果不采取适当的措施，并发访问可能会导致数据竞争和内存可见性问题。为了解决这些问题，C++ 提供了原子类和内存屏障。

原子类

原子类是一种封装了基本类型的特殊类，可确保即使在多线程环境中，对其实例的访问也具有原子性。这避免了在读写共享变量时发生数据竞争。

内存屏障

内存屏障是一种特殊指令，用于在不同线程之间强制作序。它们可确保在屏障之前执行的所有内存访问在屏障之后对其可见。C++ 中提供了四种类型的内存屏障：

• memory_order_acquire：禁止乱序访问，并确保屏障之前的所有写入都对所有线程可见。
• memory_order_release：禁止乱序访问，并确保屏障之后的所有读取都会获取之前的所有写入。
• memory_order_acq_rel：结合 memory_order_acquire 和 memory_order_release 的功能。
• memory_order_seq_cst：最严格的屏障，可确保所有程序顺序。

实战案例

考虑以下示例，其中两个线程共享一个计数器：

// 原子计数器
std::atomic<int> counter;

void thread1() {
    // ...
    counter.fetch_add(1, std::memory_order_release);
    // ...
}

void thread2() {
    // ...
    int value = counter.load(std::memory_order_acquire);
    // ...
}

在 thread1 中，fetch_add 操作使用 memory_order_release 屏障，确保对 counter 的写入在所有线程中都可见。在 thread2 中，load 操作使用 memory_order_acquire 屏障，确保在读取 counter 之前获取所有以前对 counter 的写入。这消除了数据竞争和内存可见性问题。

注意

内存屏障可能会降低性能。因此，仅在必要时才使用它们。此外，始终使用 std::memory_order_seq_cst 来保证最高的内存可见性，但它也是性能开销最大的。

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