C++原子操作 atomic的使用及效率

1. 概述
原子操作，它表示在多个线程访问同一个全局资源的时候，能够确保所有其他线程都不在同一时间访问该资源。也就是确保了在同一时刻只有一个线程对这个资源进行访问。这有点类似互斥对象对共享资源的访问的保护，但是原子操作更加接近底层，因而效率更高。

在以往的C++标准中并没有对原子操作进行规定，我们往往是使用汇编语言，或者是借助第三方的线程库，例如intel的pthread来实现。在新标准C++11，引入了原子操作的概念，并通过这个新的头文件提供了多种原子操作数据类型，例如，atomic_bool,atomic_int等等，如果我们在多个线程中对这些类型的共享资源进行操作，编译器将保证这些操作都是原子性的，也就是说，确保任意时刻只有一个线程对这个资源进行访问，编译器将保证，多个线程访问这个共享资源的正确性。从而避免了锁的使用，提高了效率

2. 实现原理

1. 使用总线锁保证原子性

2. 使用缓存锁保证原子性

详细原理可见我的另一篇博客 https://blog.csdn.net/yzf279533105/article/details/90451557

3. 实验结论（多线程操作全局变量，三个线程，每个线程对整型自增1000万次）

1. 非原子操作，不加锁，效率很高，但无法得到正确的结果

2. 非原子操作，加锁，效率很低，大约和无锁的相差20倍，但结果正确

3. 原子操作，效率很高，大约是有锁实现的5倍，且结果正确

4. 实验结果如下图（已附上编译命令）

1. 非原子，无锁

2. 非原子，有锁

3. 原子

5. 实验代码如下：

1. 非原子操作，且无锁

#include
#include
#include
#include
using namespace std;

int num = 0;

// 线程函数,内部对num自增1000万次
void Add()
{
    for(int i=0;i<10000000;i++) 
    {
        num++;
    }
}

int main()
{
    clock_t startClock = clock();   // 记下开始时间
    // 3个线程,创建即运行
    thread t1(Add);
    thread t2(Add);
    thread t3(Add);
    // 等待3个线程结束
    t1.join();
    t2.join();
    t3.join();
    clock_t endClock = clock();     // 记下结束时间
    cout<<"耗时:"<

2. 非原子操作，有锁

#include
#include
#include
#include
#include
using namespace std;

int num = 0;
mutex mu; 

// 线程函数,内部对num自增1000万次
void Add()
{
    for(int i=0;i<10000000;i++) 
    {
        mu.lock();
        num++;
        mu.unlock();
    }
}

int main()
{
    clock_t startClock = clock();   // 记下开始时间
    // 3个线程,创建即运行
    thread t1(Add);
    thread t2(Add);
    thread t3(Add);
    // 等待3个线程结束
    t1.join();
    t2.join();
    t3.join();
    clock_t endClock = clock();     // 记下结束时间
    cout<<"耗时:"<

3. 原子操作

#include
#include
#include
#include
#include
using namespace std;

atomic num (0);

// 线程函数,内部对num自增1000万次
void Add()
{
    for(int i=0;i<10000000;i++) 
    {
        num++;
    }
}

int main()
{
    clock_t startClock = clock();   // 记下开始时间
    // 3个线程,创建即运行
    thread t1(Add);
    thread t2(Add);
    thread t3(Add);
    // 等待3个线程结束
    t1.join();
    t2.join();
    t3.join();
    clock_t endClock = clock();     // 记下结束时间
    cout<<"耗时:"<