std::atomic 如何保證並發程式設計中的資料完整性？

展現std::atomic 的威力

在同時程式設計領域，跨多個執行緒維護資料完整性是一項嚴峻的挑戰。 std::atomic 是 C 標準函式庫的一個組成部分，它透過提供原子物件（不同執行緒可以同時操作而不會引發未定義行為的物件）來提供解決方案。

「原子物件」是什麼意思真正的意思嗎？

原子物件允許多個執行緒同時訪問，確保每個操作（例如讀取或寫入）似乎是瞬時發生的。這消除了資料競爭（多個執行緒爭用存取相同共享資料的情況），並確保並發程式碼的正確性和可預測性。

在提供的範例中，程式碼片段：

a = a + 12;

不構成單一原子操作。相反，它包含 a 值的載入、該值加 12，以及將結果儲存回 a。這些子操作中的每一個都是原子操作，保證 a 的值將按照每個執行緒的預期進行修改。

然而，= 運算子提供了真正的原子操作，相當於 fetch_add(12, std: ：記憶體順序_序列_cst）。在這種情況下，加法是以原子方式執行的，確保 a 的值被修改為 12，而不會出現資料競爭。

超越原子性：記憶體排序與控制

std::atomic 可讓程式設計師對記憶體排序（跨執行緒的記憶體存取順序）進行細微控制。透過指定 std::memory_order_seq_cst 或 std::memory_order_release 等記憶體順序，開發人員可以施加明確同步和排序約束，確保複雜並發演算法的正確執行。

在下面的程式碼範例中，「生產者」執行緒產生資料並使用 std::memory_order_release 記憶體順序將ready_flag設為1。另一方面，「消費者」執行緒使用 std::memory_order_acquire 記憶體順序載入ready_flag。這確保了「消費者」執行緒僅在資料產生且ready_flag設定後才存取資料。

void* sharedData = nullptr;
std::atomic<int> ready_flag = 0;

// Producer Thread
void produce()
{
    sharedData = generateData();
    ready_flag.store(1, std::memory_order_release);
}

// Consumer Thread
void consume()
{
    while (ready_flag.load(std::memory_order_acquire) == 0)
    {
        std::this_thread::yield();
    }

    assert(sharedData != nullptr); // will never trigger
    processData(sharedData);
}

std::atomic 超越了單純的原子性，提供了對記憶體存取順序的全面控制和同步，為開發人員提供創建健壯且可靠的並發應用程式的工具。

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