C语言原子操作详解（从零开始掌握C11原子操作与多线程同步）

C11标准中的原子操作支持

C11标准（ISO/IEC 9899:2011）正式引入了对原子操作的支持，通过 <stdatomic.h> 头文件提供了一系列原子类型和函数。这使得开发者无需依赖平台特定的汇编指令或第三方库，就能编写可移植的多线程同步代码。

基本原子类型与声明

C11定义了如 atomic_int、atomic_bool、atomic_long 等原子类型。你可以这样声明一个原子整数：

#include <stdatomic.h>atomic_int counter = ATOMIC_VAR_INIT(0);  // 初始化为0

常用原子操作函数

以下是一些最常用的原子操作函数：

• atomic_load()：原子读取
• atomic_store()：原子写入
• atomic_fetch_add()：原子加法并返回旧值
• atomic_compare_exchange_strong()：比较并交换（CAS）

实战示例：多线程计数器

下面是一个使用原子操作实现线程安全计数器的完整例子：

#include <stdio.h>#include <stdatomic.h>#include <threads.h>atomic_int counter = 0;int thread_func(void *arg) {    for (int i = 0; i < 100000; i++) {        atomic_fetch_add(&counter, 1);    }    return 0;}int main() {    thrd_t t1, t2;    thrd_create(&t1, thread_func, NULL);    thrd_create(&t2, thread_func, NULL);    thrd_join(t1, NULL);    thrd_join(t2, NULL);    printf("Final counter value: %d\n", atomic_load(&counter));    return 0;}

在这个例子中，两个线程各自对 counter 执行10万次加1操作。由于使用了 atomic_fetch_add()，最终结果一定是200000，不会出现数据竞争问题。

内存序（Memory Order）简介

原子操作还涉及“内存序”概念，用于控制操作的可见性和顺序。C11提供了多种内存序选项，如 memory_order_relaxed、memory_order_acquire、memory_order_release 等。

对于初学者，建议先使用默认的 memory_order_seq_cst（顺序一致性），它最安全也最容易理解。随着经验积累，再根据性能需求调整内存序。

原子操作 vs 锁：何时使用？

原子操作是实现无锁编程（Lock-Free Programming）的基础。相比互斥锁（mutex），原子操作通常开销更小、性能更高，尤其适用于高并发场景。

但要注意：并非所有逻辑都能用原子操作实现。复杂的数据结构操作（如链表插入）可能仍需配合锁或其他同步机制。

总结

通过本文，你已经掌握了C语言中原子操作的基本概念、C11标准的支持方式、常用函数以及一个完整的多线程示例。记住，C语言原子操作是构建高性能并发程序的关键工具，而C11原子操作让你能以标准、可移植的方式实现多线程同步和无锁编程。

现在，不妨动手尝试修改上面的示例，比如增加更多线程，或者尝试使用 atomic_compare_exchange_strong 实现自旋锁，加深理解！