C语言原子操作详解（从零开始掌握多线程安全的原子操作实现）

什么是原子操作？

原子操作（Atomic Operation）是指一个操作在执行过程中不会被其他线程打断，要么全部执行完成，要么完全不执行。就像“原子”一样不可分割。

例如，对一个整数变量进行自增（i++）在底层其实包含三个步骤：

1. 从内存读取当前值
2. 将值加1
3. 将新值写回内存

如果两个线程同时执行这个操作，就可能互相覆盖结果，导致最终值比预期小。而使用原子操作实现后，整个自增过程变成不可中断的单一操作，从而避免了这个问题。

C11标准引入的原子库

从 C11 标准开始，C 语言正式支持原子操作，通过头文件 <stdatomic.h> 提供了一套完整的原子类型和函数。这是实现多线程同步的重要工具。

常用的原子类型包括：

• atomic_int：原子整型
• atomic_bool：原子布尔型
• atomic_long：原子长整型

实战：用C11原子库实现线程安全计数器

下面是一个完整的示例，展示如何使用 C11原子库 创建一个线程安全的计数器：

#include <stdio.h>#include <stdatomic.h>#include <threads.h>atomic_int counter = 0;  // 声明一个原子整型变量int increment_counter(void* arg) {    for (int i = 0; i < 100000; i++) {        atomic_fetch_add(&counter, 1);  // 原子自增    }    return 0;}int main() {    thrd_t t1, t2;    // 创建两个线程    thrd_create(&t1, increment_counter, NULL);    thrd_create(&t2, increment_counter, NULL);    // 等待线程结束    thrd_join(t1, NULL);    thrd_join(t2, NULL);    printf("Final counter value: %d\n", counter);    return 0;}

在这个例子中，我们创建了两个线程，每个线程都对 counter 执行 10 万次自增。由于使用了 atomic_fetch_add，最终结果一定是 200000，而不是一个不确定的小于该值的数字。

常用原子操作函数

除了 atomic_fetch_add，C11 还提供了多种原子操作函数：

• atomic_load：原子读取
• atomic_store：原子写入
• atomic_exchange：原子交换
• atomic_compare_exchange_strong：比较并交换（CAS）

这些函数构成了实现无锁（lock-free）数据结构的基础，是高级多线程同步技术的核心。

注意事项与兼容性

1. 并非所有编译器都完全支持 C11 原子操作。GCC 从 4.9 版本、Clang 从 3.1 版本开始支持。
2. 如果你的环境不支持 C11，也可以使用编译器内置函数，如 GCC 的 __sync_fetch_and_add 系列。
3. 原子操作虽然高效，但并非万能。复杂逻辑仍需配合互斥锁（mutex）使用。

总结

通过本文，你已经掌握了 C语言原子操作的基本概念和实际用法。无论是开发高性能服务器、嵌入式系统，还是学习操作系统原理，理解原子操作都是必不可少的一环。记住：原子操作实现是构建线程安全程序的基石，而 C11原子库 为我们提供了标准化、可移植的解决方案。

赶快动手试试吧！编写一个多线程程序，用原子操作解决数据竞争问题，你会对多线程同步有更深刻的理解。