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C++11提供了一个原子类型std::atomic<T>，通过这个原子类型管理的内部变量就可以称之为原子变量，我们可以给原子类型指定bool、char、int、long、指针等类型作为模板参数（不支持浮点类型和复合类型）。
原子指的是一系列不可被CPU上下文交换的机器指令，这些指令组合在一起就形成了原子操作。在多核CPU下，当某个CPU核心开始运行原子操作时，会先暂停其它CPU内核对内存的操作，以保证原子操作不会被其它CPU内核所干扰。
由于原子操作是通过指令提供的支持，因此它的性能相比锁和消息传递会好很多。相比较于锁而言，原子类型不需要开发者处理加锁和释放锁的问题，同时支持修改，读取等操作，还具备较高的并发性能，几乎所有的语言都支持原子类型。
可以看出原子类型是无锁类型，但是无锁不代表无需等待，因为原子类型内部使用了CAS循环，当大量的冲突发生时，该等待还是得等待！但是总归比锁要好。
C++11内置了整形的原子变量，这样就可以更方便的使用原子变量了。在多线程操作中，使用原子变量之后就不需要再使用互斥量来保护该变量了，用起来更简洁。因为对原子变量进行的操作只能是一个原子操作（atomic operation），原子操作指的是不会被线程调度机制打断的操作，这种操作一旦开始，就一直运行到结束，中间不会有任何的上下文切换。多线程同时访问共享资源造成数据混乱的原因就是因为CPU的上下文切换导致的，使用原子变量解决了这个问题，因此互斥锁的使用也就不再需要了。
CAS全称是Compare and swap, 它通过一条指令读取指定的内存地址，然后判断其中的值是否等于给定的前置值，如果相等，则将其修改为新的值
- atomic 类成员 {#1-atomic-类成员} =============================
类定义
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| 1 2 3 | // 定义于头文件 <atomic> template< class T > struct atomic; |
通过定义可得知：在使用这个模板类的时候，一定要指定模板类型。
构造函数 {#构造函数}
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| 1 2 3 4 5 6 | // ① atomic() noexcept = default; // ② constexpr atomic( T desired ) noexcept; // ③ atomic( const atomic& ) = delete; |
- 构造函数①：默认无参构造函数。
- 构造函数②：使用
desired初始化原子变量的值。 - 构造函数③：使用
=delete显示删除拷贝构造函数, 不允许进行对象之间的拷贝
公共成员函数 {#公共成员函数}
原子类型在类内部重载了=操作符，并且不允许在类的外部使用 =进行对象的拷贝。
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| 1 2 3 4 5 | T operator=( T desired ) noexcept; T operator=( T desired ) volatile noexcept; atomic& operator=( const atomic& ) = delete; atomic& operator=( const atomic& ) volatile = delete; |
原子地以 desired 替换当前值。按照 order 的值影响内存。
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| 1 2 | void store( T desired, std::memory_order order = std::memory_order_seq_cst ) noexcept; void store( T desired, std::memory_order order = std::memory_order_seq_cst ) volatile noexcept; |
- desired：存储到原子变量中的值
- order：强制的内存顺序
原子地加载并返回原子变量的当前值。按照 order 的值影响内存。直接访问原子对象也可以得到原子变量的当前值。
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| 1 2 | T load( std::memory_order order = std::memory_order_seq_cst ) const noexcept; T load( std::memory_order order = std::memory_order_seq_cst ) const volatile noexcept; |
特化成员函数 {#特化成员函数}
- 复合赋值运算符重载，主要包含以下形式：
| 模板类型T为整形 | T operator+= (T val) volatile noexcept; T operator+= (T val) noexcept; T operator-= (T val) volatile noexcept; T operator-= (T val) noexcept; T operator&= (T val) volatile noexcept; T operator&= (T val) noexcept; T operator|= (T val) volatile noexcept; T operator|= (T val) noexcept; T operator^= (T val) volatile noexcept; T operator^= (T val) noexcept; | |:------------:|:-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| | 模板类型T为指针 | T operator+= (ptrdiff_t val) volatile noexcept; T operator+= (ptrdiff_t val) noexcept; T operator-= (ptrdiff_t val) volatile noexcept; T operator-= (ptrdiff_t val) noexcept; |
- 以上各个 operator 都会有对应的 fetch_* 操作，详细见下表：
| 操作符 | 操作符重载函数 | 等级的成员函数 | 整形 | 指针 | 其他 | |:---:|:-------------------:|:-----------------:|:--:|:--:|:--:| | + | atomic::operator+= | atomic::fetch_add | 是 | 是 | 否 | | - | atomic::operator-= | atomic::fetch_sub | 是 | 是 | 否 | | & | atomic::operator&= | atomic::fetch_and | 是 | 否 | 否 | | | | atomic::operator|= | atomic::fetch_or | 是 | 否 | 否 | | ^ | atomic::operator^= | atomic::fetch_xor | 是 | 否 | 否 |
内存顺序约束 {#内存顺序约束}
通过上面的 API 函数我们可以看出，在调用 atomic类提供的 API 函数的时候，需要指定原子顺序，在C++11给我们提供的 API 中使用枚举用作执行原子操作的函数的实参，以指定如何同步不同线程上的其他操作。
定义如下:
|-------------------------|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| 1 2 3 4 5 6 7 8 | typedef enum memory_order { memory_order_relaxed, // relaxed memory_order_consume, // consume memory_order_acquire, // acquire memory_order_release, // release memory_order_acq_rel, // acquire/release memory_order_seq_cst // sequentially consistent } memory_order; |
memory_order_relaxed， 这是最宽松的规则，它对编译器和CPU不做任何限制，可以乱序memory_order_release释放，设定内存屏障(Memory barrier)，保证它之前的操作永远在它之前，但是它后面的操作可能被重排到它前面memory_order_acquire获取 , 设定内存屏障，保证在它之后的访问永远在它之后，但是它之前的操作却有可能被重排到它后面，往往和Release在不同线程中联合使用memory_order_consume：改进版的memory_order_acquire，开销更小memory_order_acq_rel，它是Acquire和Release的结合，同时拥有它们俩提供的保证。比如你要对一个atomic自增 1，同时希望该操作之前和之后的读取或写入操作不会被重新排序memory_order_seq_cst顺序一致性 ，memory_order_seq_cst就像是memory_order_acq_rel的加强版，它不管原子操作是属于读取还是写入的操作，只要某个线程有用到memory_order_seq_cst的原子操作，线程中该memory_order_seq_cst操作前的数据操作绝对不会被重新排在该memory_order_seq_cst操作之后，且该memory_order_seq_cst操作后的数据操作也绝对不会被重新排在memory_order_seq_cst操作前。
C++20新增成员 {#C-20新增成员}
在C++20版本中添加了新的功能函数，可以通过原子类型来阻塞线程，和条件变量中的等待/通知函数是一样的。
| 公共成员函数 | 说明 | |---------------------------------------------------------------------------------|-----------------------| | wait(C++20) | 阻塞线程直至被提醒且原子值更改 | | notify_one(C++20) | 通知（唤醒）至少一个在原子对象上阻塞的线程 | | notify_all(C++20) | 通知（唤醒）所有在原子对象上阻塞的线程 |
类型别名
| 别名 | 原始类型定义 | |----------------------------------|--------------------------------------------------------------------------------------| | atomic_bool(C++11) | std::atomic<bool> | | atomic_char(C++11) | std::atomic<char> | | atomic_schar(C++11) | std::atomic<signed char> | | atomic_uchar(C++11) | std::atomic<unsigned char> | | atomic_short(C++11) | std::atomic<short> | | atomic_ushort(C++11) | std::atomic<unsigned short> | | atomic_int(C++11) | std::atomic<int> | | atomic_uint(C++11) | std::atomic<unsigned int> | | atomic_long(C++11) | std::atomic<long> | | atomic_ulong(C++11) | std::atomic<unsigned long> | | atomic_llong(C++11) | std::atomic<long long> | | atomic_ullong(C++11) | std::atomic<unsigned long long> | | atomic_char8_t(C++20) | std::atomic<char8_t> | | atomic_char16_t(C++11) | std::atomic<char16_t> | | atomic_char32_t(C++11) | std::atomic<char32_t> | | atomic_wchar_t(C++11) | std::atomic<wchar_t> | | atomic_int8_t(C++11)(可选) | std::atomic<std::int8_t> | | atomic_uint8_t(C++11)(可选) | std::atomic<std::uint8_t> | | atomic_int16_t(C++11)(可选) | std::atomic<std::int16_t> | | atomic_uint16_t(C++11)(可选) | std::atomic<std::uint16_t> | | atomic_int32_t(C++11)(可选) | std::atomic<std::int32_t> | | atomic_uint32_t(C++11)(可选) | std::atomic<std::uint32_t> | | atomic_int64_t(C++11)(可选) | std::atomic<std::int64_t> | | atomic_uint64_t(C++11)(可选) | std::atomic<std::uint64_t> | | atomic_int_least8_t(C++11) | std::atomic<std::int_least8_t> | | atomic_uint_least8_t(C++11) | std::atomic<std::uint_least8_t> | | atomic_int_least16_t(C++11) | std::atomic<std::int_least16_t> | | atomic_uint_least16_t(C++11) | std::atomic<std::uint_least16_t> | | atomic_int_least32_t(C++11) | std::atomic<std::int_least32_t> | | atomic_uint_least32_t(C++11) | std::atomic<std::uint_least32_t> | | atomic_int_least64_t(C++11) | std::atomic<std::int_least64_t> | | atomic_uint_least64_t(C++11) | std::atomic<std::uint_least64_t> | | atomic_int_fast8_t(C++11) | std::atomic<std::int_fast8_t> | | atomic_uint_fast8_t(C++11) | std::atomic<std::uint_fast8_t> | | atomic_int_fast16_t(C++11) | std::atomic<std::int_fast16_t> | | atomic_uint_fast16_t(C++11) | std::atomic<std::uint_fast16_t> | | atomic_int_fast32_t(C++11) | std::atomic<std::int_fast32_t> | | atomic_uint_fast32_t(C++11) | std::atomic<std::uint_fast32_t> | | atomic_int_fast64_t(C++11) | std::atomic<std::int_fast64_t> | | atomic_uint_fast64_t(C++11) | std::atomic<std::uint_fast64_t> | | atomic_intptr_t(C++11)(可选) | std::atomic<std::intptr_t> | | atomic_uintptr_t(C++11)(可选) | std::atomic<std::uintptr_t> | | atomic_size_t(C++11) | std::atomic<std::size_t> | | atomic_ptrdiff_t(C++11) | std::atomic<std::ptrdiff_t> | | atomic_intmax_t(C++11) | std::atomic<std::intmax_t> | | atomic_uintmax_t(C++11) | std::atomic<std::uintmax_t> |
- 原子变量的使用 {#2-原子变量的使用} =======================
假设我们要制作一个多线程交替数数的计数器，我们使用互斥锁和原子变量的方式分别进行实现，对比一下二者的差异：
2.1 互斥锁版本 {#2-1-互斥锁版本}
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2.2 原子变量版本 {#2-2-原子变量版本}
|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
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通过代码的对比可以看出，使用了原子变量之后，就不需要再定义互斥量了，在使用上更加简便，并且这两种方式都能保证在多线程操作过程中数据的正确性，不会出现数据的混乱。
原子类型atomic<T>可以封装原始数据最终得到一个原子变量对象，操作原子对象能够得到和操作原始数据一样的效果，当然也可以通过store()和load()来读写原子对象内部的原始数据。
