[学习] C语言中的原子操作（示例）

🧠C语言中的原子操作

在C语言编程中线程安全的实现方法（示例）一文中，介绍了多种线程安全的做法，其中之一就是燕子操作。今天再对这种高效的线程安全操作方法进行更详细的介绍。

在并发编程中，原子操作是保证线程安全、提高程序性能的重要手段。本文将详细介绍 C 语言中原子操作的实现原理、使用方法，并提供可以编译执行的完整代码示例。

🔍一、什么是原子操作？

原子操作（Atomic Operation）是指不会被线程调度机制打断的操作。即该操作要么全部完成，要么完全不做，不存在中间状态。这种特性使得它非常适合用于多线程环境下的共享资源访问控制。

原子操作比锁（如互斥量 mutex）更轻量，开销更低，适用于一些简单的同步场景，比如计数器、标志位设置等。

💡二、为什么需要原子操作？

在多线程环境下，如果不加保护地对共享变量进行读写操作，可能会导致数据竞争（Data Race），从而引发不可预测的结果。

例如：

int counter = 0;

void* increment(void* arg) {
    for (int i = 0; i < 1000000; ++i)
        counter++;
    return NULL;
}

如果两个线程同时运行这段代码，最终 counter 的值可能小于预期（2,000,000）。这是因为 counter++ 并不是原子操作，它包括读取、递增、写回三个步骤，在并发时可能发生冲突。

⚙️三、C语言中原子操作的实现方式

✅ 1. 使用 GCC 内建函数（__sync 系列）

GCC 提供了一组以 __sync_ 开头的原子操作函数，它们是平台相关的，但兼容性较好，常用于旧版代码或嵌入式系统。

常用函数：

示例：使用 __sync_fetch_and_add

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>

int counter = 0;

void* increment(void* arg) {
    for (int i = 0; i < 1000000; ++i)
        __sync_fetch_and_add(&counter, 1);
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t t1, t2;

    pthread_create(&t1, NULL, increment, NULL);
    pthread_create(&t2, NULL, increment, NULL);

    pthread_join(t1, NULL);
    pthread_join(t2, NULL);

    printf("Final counter value: %d\n", counter); // 应为 2000000
    return 0;
}

✅ 编译命令：

gcc -o atomic_example atomic_example.c -lpthread

✅ 2. 使用 C11 标准 <stdatomic.h>

C11 引入了 _Atomic 类型限定符和 <stdatomic.h> 头文件，提供了跨平台的原子操作接口。

支持的类型：

• atomic_int
• atomic_long
• atomic_flag
• 更复杂的结构体也可以通过 atomic_store, atomic_load, atomic_exchange, atomic_compare_exchange_strong/weak 等函数来操作。

示例：使用 atomic_int

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <stdatomic.h>

atomic_int counter = 0;

void* increment(void* arg) {
    for (int i = 0; i < 1000000; ++i)
        atomic_fetch_add(&counter, 1);
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t t1, t2;

    pthread_create(&t1, NULL, increment, NULL);
    pthread_create(&t2, NULL, increment, NULL);

    pthread_join(t1, NULL);
    pthread_join(t2, NULL);

    printf("Final counter value: %d\n", atomic_load(&counter)); // 应为 2000000
    return 0;
}

✅ 编译命令（启用 C11）：

gcc -std=c11 -o atomic_c11 atomic_c11.c -lpthread

✅ 3. 使用 atomic_flag 实现自旋锁（Spinlock）

atomic_flag 是唯一一个保证无锁（lock-free）的原子类型，适合实现自旋锁。

示例：实现一个简单的自旋锁

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <stdatomic.h>

atomic_flag lock = ATOMIC_FLAG_INIT;

void spin_lock() {
    while (atomic_flag_test_and_set(&lock)) {
        // 等待直到锁释放
    }
}

void spin_unlock() {
    atomic_flag_clear(&lock);
}

int counter = 0;

void* increment(void* arg) {
    for (int i = 0; i < 1000000; ++i) {
        spin_lock();
        counter++;
        spin_unlock();
    }
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t t1, t2;

    pthread_create(&t1, NULL, increment, NULL);
    pthread_create(&t2, NULL, increment, NULL);

    pthread_join(t1, NULL);
    pthread_join(t2, NULL);

    printf("Final counter value: %d\n", counter); // 应为 2000000
    return 0;
}

✅ 编译命令：

gcc -std=c11 -o spinlock_example spinlock_example.c -lpthread

⚖️四、原子操作 vs 锁机制对比

📌五、注意事项

• 不要过度依赖原子操作：虽然高效，但只能处理简单的操作，不能替代互斥锁。
• 内存顺序（Memory Order）：C11 支持不同内存顺序（如 memory_order_relaxed, memory_order_seq_cst），需谨慎选择以避免错误。
• 平台差异：某些原子操作在不同平台上表现不一致，推荐使用标准库函数确保移植性。

🧪六、结语

原子操作是现代并发编程中不可或缺的工具之一。它不仅提高了程序效率，也减少了因锁带来的复杂性和潜在死锁问题。掌握其原理和使用方法，对于编写高性能、线程安全的 C 程序至关重要。

如果你正在开发多线程应用，不妨尝试用原子操作优化你的代码吧！

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