atomic：std::atomic_fetch_add和std::atomic_fetch_add_explicit

引入

在多线程编程中，安全地对共享资源进行操作至关重要。为此，C++标准库的<atomic>头文件提供了std::atomic_fetch_add和std::atomic_fetch_add_explicit这两个函数，用于实现原子加法操作。这两个函数允许在多线程环境中安全地对原子变量进行加法运算，同时返回之前的值，确保线程间不发生数据竞争和不一致性。通过使用这些原子操作，开发者可以高效可靠地管理共享资源。本文将深入探讨这两个函数的特性、用法、完整示例代码及其适用场景分析。

特性/函数/功能语法介绍

std::atomic_fetch_add

std::atomic_fetch_add的主要特性包括：

• 原子性：保证在多个线程对同一变量进行加法操作时不会出现数据竞争。
• 简便性：提供直观易用的接口，方便直接对原子变量进行加法操作。

语法

#include <atomic>

T std::atomic_fetch_add(std::atomic<T>& obj, T arg);

std::atomic_fetch_add_explicit

std::atomic_fetch_add_explicit的主要特性包括：

• 内存序控制：允许开发者指定内存序，从而增强对操作行为的灵活掌控。
• 更广的适用性：适用于需要特定内存顺序约束的高性能场景。

语法

#include <atomic>

T std::atomic_fetch_add_explicit(std::atomic<T>& obj, T arg, std::memory_order order);

参数order可以是：memory_order_relaxed、memory_order_acquire、memory_order_release、memory_order_acq_rel和memory_order_seq_cst。

完整示例代码

以下示例展示了如何使用std::atomic_fetch_add和std::atomic_fetch_add_explicit来对共享变量进行原子加法操作：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <atomic>
#include <chrono>

std::atomic<int> sharedCounter{0}; // 创建原子变量

void incrementer(int id) {
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        int oldValue = std::atomic_fetch_add(sharedCounter, 1); // 使用atomic_fetch_add
        std::cout << "Thread " << id << " incremented counter from " << oldValue << " to " << oldValue + 1 << std::endl;
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));
    }
}

void incrementerExplicit(int id) {
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        int oldValue = std::atomic_fetch_add_explicit(sharedCounter, 1, std::memory_order_seq_cst); // 使用atomic_fetch_add_explicit
        std::cout << "Thread " << id << " incremented (explicit) counter from " << oldValue << " to " << oldValue + 1 << std::endl;
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));
    }
}

int main() {
    std::thread threads[5];

    // 创建线程使用不同的加法函数
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        if (i % 2 == 0) {
            threads[i] = std::thread(incrementer, i);
        } else {
            threads[i] = std::thread(incrementerExplicit, i);
        }
    }

    // 等待所有线程完成
    for (auto& th : threads) {
        th.join();
    }

    std::cout << "Final counter value: " << sharedCounter.load() << std::endl;
    return 0;
}

代码解析

在上述示例中，我们展示了如何利用std::atomic_fetch_add和std::atomic_fetch_add_explicit对共享计数器进行原子加法操作。

1. 创建原子变量：

   • std::atomic<int> sharedCounter{0}; 声明一个初始值为0的原子整数变量，用于在多个线程之间共享。

2. 增量线程：

   • 在incrementer函数中，通过 std::atomic_fetch_add(sharedCounter, 1) 对 sharedCounter 执行递增操作，并返回递增前的值，确保操作的原子性。

3. 增量线程（显式内存序）：

   • 在 incrementerExplicit 函数中，使用 std::atomic_fetch_add_explicit(sharedCounter, 1, std::memory_order_seq_cst) 指定内存序为 memory_order_seq_cst。虽然在此例中较为简单，其灵活性允许在复杂情况下应用不同的内存顺序。

4. 主函数：

   • 在 main 函数中，通过循环创建5个线程，奇偶线程分别调用不同的加法函数，展示两种操作的并发执行并待所有线程结束。

5. 最终计数显示：

   • 主线程最终输出sharedCounter的值，展示这5个线程安全并发增量的结果。

适用场景分析

std::atomic_fetch_add和std::atomic_fetch_add_explicit的应用场景包括：

1. 线程安全的计数器：多线程环境下共享计数器的安全更新，比如用于多线程任务完成统计。

2. 无锁数据结构：在构建高效的并发数据结构时，如先进先出（FIFO）或先进后出（LIFO）队列中，加法操作可以帮助减少阻塞和提升性能。

3. 工作调度和任务分配：原子加法可以用于调度器在多线程中的工作分配，以确保并发工作正确执行。

总结

std::atomic_fetch_add和std::atomic_fetch_add_explicit是C++标准库中强大的原子操作，确保了多线程编程中的数据一致性和线程安全。通过本文的示例，展示了这两个函数的有效使用方式以及在并发程序中的重要性。掌握这些原子操作将帮助开发者设计更高效、更可靠的多线程程序，提升工业软件的质量和性能。