C++並發程式設計：如何使用原子類別和記憶體屏障？

C 並發程式設計：使用原子類別和記憶體屏障保障並發安全

在多執行緒環境中，並發程式設計是處理共享資源的常見技術。然而，如果不採取適當的措施，並發存取可能會導致資料競爭和記憶體可見性問題。為了解決這些問題，C 提供了原子類和記憶體屏障。

原子類

原子類是一種封裝了基本類型的特殊類，可確保即使在多執行緒環境中，對其實例的存取也具有原子性。這避免了在讀寫共享變數時發生資料競爭。

記憶體屏障

記憶體屏障是一種特殊指令，用於在不同執行緒之間強製作序。它們可確保在屏障之前執行的所有記憶體存取在屏障之後對其可見。 C 中提供了四種類型的記憶體屏障：

• memory_order_acquire：禁止亂序訪問，並確保屏障之前的所有寫入都對所有執行緒可見。
• memory_order_release：禁止亂序訪問，並確保屏障之後的所有讀取都會取得先前的所有寫入。
• memory_order_acq_rel：結合 memory_order_acquire 和 memory_order_release 的功能。
• memory_order_seq_cst：最嚴格的屏障，可確保所有程序順序。

實戰案例

考慮以下範例，其中兩個執行緒共用一個計數器：

// 原子计数器
std::atomic<int> counter;

void thread1() {
    // ...
    counter.fetch_add(1, std::memory_order_release);
    // ...
}

void thread2() {
    // ...
    int value = counter.load(std::memory_order_acquire);
    // ...
}

在thread1中，fetch_add 操作使用memory_order_release 屏障，確保對counter 的寫入在所有執行緒中都可見。在thread2 中，load 操作使用memory_order_acquire 屏障，確保在讀取counter 之前取得所有先前對counter 的寫入。這消除了數據競爭和記憶體可見性問題。

注意

記憶體屏障可能會降低效能。因此，僅在必要時才使用它們。此外，請務必使用 std::memory_order_seq_cst 來保證最高的記憶體可見性，但它也是效能開銷最大的。

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