今天和大家說說C++多線程中的原子操作。首先為什么會有原子操作呢？這純粹就是C++這門語言的特性所決定的，C++這門語言是為性能而生的，它對性能的追求是沒有極限的，它總是想盡一切辦法提高性能。互斥鎖是可以實現數據的同步，但同時是以犧牲性能為代價的。口說無憑，我們做個實驗就知道了。

我們將一個數加一再減一，循環一定的次數，開啟20個線程來觀察，這個正確的結果應該是等于0的。

首先是不加任何互斥鎖同步

#include <iostream>
#include <thread>
#include <atomic>
#include <time.h>
#include <mutex>
using namespace std;
 
#define MAX 100000
#define THREAD_COUNT 20
int total = 0;
void thread_task()
{
    for (int i = 0; i < MAX; i++)
    {
        total += 1;
        total -= 1;
    }
}
 
int main()
{
    clock_t start = clock();
    thread t[THREAD_COUNT];
    for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; ++i)
    {
        t[i] = thread(thread_task);
    }
    for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; ++i)
    {
        t[i].join();
    }
    
    clock_t finish = clock();
    cout << "result:" << total << endl;
    cout << "duration:" << finish - start << "ms" << endl;
    return 0;
}

以上程序運行時相關快的，但是結果卻是不正確的。

那么我們將線程加上互斥鎖mutex再來看看。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <atomic>
#include <time.h>
#include <mutex>
using namespace std;
 
#define MAX 100000
#define THREAD_COUNT 20
 
int total = 0;
mutex mt;
 
void thread_task()
{
    for (int i = 0; i < MAX; i++)
    {
        mt.lock();
        total += 1;
        total -= 1;
        mt.unlock();
    }
}
 
int main()
{
    clock_t start = clock();
    thread t[THREAD_COUNT];
    for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; ++i)
    {
        t[i] = thread(thread_task);
    }
    for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; ++i)
    {
        t[i].join();
    }
    
    clock_t finish = clock();
    // 輸出結果
    cout << "result:" << total << endl;
    cout << "duration:" << finish - start << "ms" << endl;
 
    return 0;
}

我們可以看到運行結果是正確的，但是時間比原來慢太多了。雖然很無奈，但這也是沒有辦法的，因為只有在保證準確的前提才能去追求性能。

那有沒有什么辦法在保證準確的同時，又能提高性能呢？

原子操作就橫空出世了！

定義原子操作的時候必須引入頭文件

#include <atomic>

那么如何利用原子操作提交計算的性能呢？實際上很簡單的。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <atomic>
#include <time.h>
#include <mutex>
using namespace std;
 
#define MAX 100000
#define THREAD_COUNT 20
 
//原子操作
atomic_int total(0);
 
void thread_task()
{
    for (int i = 0; i < MAX; i++)
    {
        total += 1;
        total -= 1;
    }
}
 
int main()
{
    clock_t start = clock();
    thread t[THREAD_COUNT];
    for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; ++i)
    {
        t[i] = thread(thread_task);
    }
    for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; ++i)
    {
        t[i].join();
    }
    
    clock_t finish = clock();
    // 輸出結果
    cout << "result:" << total << endl;
    cout << "duration:" << finish - start << "ms" << endl;
 
    return 0;
}

可以看到，我們在這里只需要定義atomic_int total(0)就可以實現原子操作了，就不需要互斥鎖了。而性能的提升也是非常明顯的，這就是原子操作的魅力所在。