C++11+ 原子操作 `std::atomic`，现代并发编程的核心

之前我研究了机器人开发中的 ROS2（Jazzy）系统相关内容。并将官网中比较重要的教程和概念，按照自己的学习顺序翻译成了中文，并进行了整理和记录。到目前为止，已经整理了20多篇文章。如果你想回顾之前的内容，可以查阅主页中 ROS2（Jazzy）相关文章。

在研究 ROS2 的过程中，我发现它使用了不少 C++11 的新特性。这让我意识到，深入掌握这些特性对于深入理解 ROS2 的实现原理和优化代码非常重要。

因此，我萌生了撰写 C++11 系列文章的想法。目前已经完成了以下几篇文章：

1. C++11 ROS2性能狂飙：C++11移动语义‘偷梁换柱’实战
2. C++11 Lambda 表达式 以及 std::function和std::bind
3. C++11 智能指针：std::unique_ptr、std::shared_ptr和std::weak_ptr
4. C++11 的线程管理（std::thread）

本文是第五篇，主要总结的是 C++11 原子操作 std::atomic。

C++11 引入了 std::atomic 模板类，它提供了无锁线程安全操作的能力，允许在多线程环境中安全地访问和修改共享数据，而无需显式使用互斥锁。它是现代并发编程的核心组件。

一、原子操作的核心概念与原理

1. 为什么需要原子操作？

加入原子操作主要是为了解决以下问题和需求：

• 数据竞争问题：多线程同时读写同一个变量导致的未定义行为
• 锁的开销问题：互斥锁可能导致上下文切换、死锁、优先级反转等问题
• 性能需求：原子操作利用硬件指令实现高效的无锁同步

2. 原子操作的本质

• 不可分割性：操作要么完全执行，要么完全不执行
• 内存可见性：确保修改对所有线程立即可见
• 顺序约束：通过内存序控制指令重排序，这点在后面详细介绍。

二、基本用法与类型支持

1. 支持的类型

std::atomic 支持所有基本类型：

std::atomic<int> atomicInt(0);       // 原子整型
std::atomic<bool> atomicFlag(false); // 原子布尔
std::atomic<double> atomicDouble;    // 原子浮点（有限操作）

2. 常用的原子操作接口

// 存储值
atomicInt.store(42);// 读取值
int value = atomicInt.load();// 交换值
int old = atomicInt.exchange(100);// 比较交换（CAS）
bool success = atomicInt.compare_exchange_weak(expected, desired);

3. 在算术运算（整数类型）中使用原子操作

std::atomic<int> counter(0);counter.fetch_add(1);    // 原子加（返回旧值）
counter.fetch_sub(1);    // 原子减
counter++;               // 等价于 fetch_add(1) + 1
++counter