C语言原子操作详解（从零开始掌握多线程安全编程）

为什么需要原子操作？

假设你有两个线程同时对一个全局整数 count 执行 count++ 操作。这个看似简单的操作实际上包含三个步骤：

1. 从内存读取 count 的值
2. 将值加 1
3. 将新值写回内存

如果两个线程交错执行这些步骤，最终结果可能不是预期的 +2，而是 +1！这就是典型的竞态条件问题。而使用 C11原子操作可以避免这种情况。

C11 标准中的原子操作支持

自 C11 起，C 语言标准引入了 <stdatomic.h> 头文件，提供了一套标准化的原子类型和函数。下面是一个使用 C11 原子操作的简单示例：

#include <stdio.h>#include <stdatomic.h>#include <pthread.h>_Atomic int counter = 0;void* increment(void* arg) {    for (int i = 0; i < 100000; i++) {        atomic_fetch_add(&counter, 1);    }    return NULL;}int main() {    pthread_t t1, t2;    pthread_create(&t1, NULL, increment, NULL);    pthread_create(&t2, NULL, increment, NULL);    pthread_join(t1, NULL);    pthread_join(t2, NULL);    printf("Final counter value: %d\n", counter);    return 0;}

在这个例子中，我们使用 _Atomic int 声明了一个原子整型变量，并通过 atomic_fetch_add 安全地对其进行递增。无论运行多少次，结果始终是 200000。

GCC 的 __atomic 内置函数（兼容旧标准）

如果你的编译器不支持 C11（比如较老版本的 GCC），或者你想使用更灵活的内存序控制，可以使用 GCC 提供的 __atomic内置函数。它们在 GCC 4.7+ 中可用。

#include <stdio.h>#include <pthread.h>int counter = 0;void* increment(void* arg) {    for (int i = 0; i < 100000; i++) {        __atomic_fetch_add(&counter, 1, __ATOMIC_SEQ_CST);    }    return NULL;}int main() {    pthread_t t1, t2;    pthread_create(&t1, NULL, increment, NULL);    pthread_create(&t2, NULL, increment, NULL);    pthread_join(t1, NULL);    pthread_join(t2, NULL);    printf("Final counter value: %d\n", counter);    return 0;}

这里使用了 __atomic_fetch_add 函数，第三个参数 __ATOMIC_SEQ_CST 表示“顺序一致性”内存模型，是最强的一致性保证。

常见原子操作函数一览

总结

通过本篇原子操作教程，你应该已经掌握了 C 语言中原子操作的基本用法。无论是使用 C11 标准库还是 GCC 的 __atomic 内置函数，都能有效解决多线程环境下的数据竞争问题。

记住：在编写并发程序时，永远不要假设普通变量的操作是原子的！善用 C语言原子操作，让你的程序更安全、更可靠。

现在，你可以尝试自己编写一个多线程计数器程序，并对比使用与不使用原子操作的结果差异，加深理解！