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C语言无锁算法实战指南（从零开始掌握无锁编程与原子操作）

主机测评网
C
2025-12-20
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在现代多核处理器时代，多线程程序的性能优化变得至关重要。传统的互斥锁（mutex）虽然能保证线程安全，但会带来上下文切换、阻塞和死锁等开销。为了解决这些问题，C语言无锁算法应运而生。本文将带你从零开始理解并实现基本的无锁数据结构，适合编程小白也能轻松上手。

什么是无锁编程？

无锁编程（Lock-Free Programming）是一种不依赖传统锁机制（如 mutex、semaphore）来实现线程安全的并发控制技术。它主要依靠 CPU 提供的原子操作（Atomic Operations），比如 compare-and-swap（CAS），来确保多个线程同时访问共享资源时不会产生数据竞争。

C语言无锁算法实战指南（从零开始掌握无锁编程与原子操作） C语言无锁算法无锁编程原子操作多线程同步第1张

为什么使用无锁算法？

避免线程阻塞，提高系统吞吐量
消除死锁风险
在高并发场景下性能更优
适用于实时系统（如嵌入式、操作系统内核）

C语言中的原子操作支持

自 C11 标准起，C 语言引入了 <stdatomic.h> 头文件，提供了对原子操作的原生支持。常用函数包括：

atomic_load()：原子读取
atomic_store()：原子写入
atomic_compare_exchange_strong()：强比较并交换（CAS）
atomic_fetch_add()：原子加法

实战：用 C 实现一个无锁计数器

下面是一个简单的无锁计数器示例，多个线程可以安全地对其执行递增操作，而无需使用互斥锁。

#include <stdio.h>#include <stdatomic.h>#include <pthread.h>#include <unistd.h>atomic_int counter = 0;void* increment_counter(void* arg) {    for (int i = 0; i < 100000; i++) {        atomic_fetch_add(&counter, 1);    }    return NULL;}int main() {    pthread_t t1, t2;    pthread_create(&t1, NULL, increment_counter, NULL);    pthread_create(&t2, NULL, increment_counter, NULL);    pthread_join(t1, NULL);    pthread_join(t2, NULL);    printf("Final counter value: %d\n", counter);    return 0;}

在这个例子中，我们使用 atomic_int 声明了一个原子整型变量 counter，并通过 atomic_fetch_add() 实现线程安全的自增操作。即使两个线程同时执行，结果也始终是 200000，不会有竞态条件。

进阶：无锁栈的简单实现

除了计数器，我们还可以构建更复杂的数据结构，比如无锁栈（Lock-Free Stack）。其核心思想是使用 CAS 操作来更新栈顶指针。

#include <stdlib.h>#include <stdatomic.h>typedef struct Node {    int data;    struct Node* next;} Node;typedef struct {    atomic_uintptr_t top;} LockFreeStack;void stack_init(LockFreeStack* s) {    atomic_init(&s->top, (uintptr_t)NULL);}void stack_push(LockFreeStack* s, int value) {    Node* new_node = (Node*)malloc(sizeof(Node));    new_node->data = value;    uintptr_t old_top;    do {        old_top = atomic_load(&s->top);        new_node->next = (Node*)old_top;    } while (!atomic_compare_exchange_weak(        &s->top,        &old_top,        (uintptr_t)new_node    ));}