内存模型与原子操作 - C++ 高级特性

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第 6 关：内存模型与原子操作

C++高级

📖 本课目标

本关属于《C++ 高级特性》第 6 课。阅读右侧代码模板，理解每一行的作用，然后动手修改并完成练习。

🎯 本课要点

include <iostream>
include <thread>
include <atomic>

🛠 学习方式

阅读右侧代码模板中的注释与实现
修改代码，尝试达成新的效果
点击「运行」查看实际输出
确认理解后点击「提交」标记本关完成

💡 说明

本关为 C++，浏览器内无法真正执行该语言。当前「运行」输出为演示结果，请在本地环境中编译运行以验证代码。

main.pytest.py

#include <iostream>
#include <thread>
#include <atomic>
using namespace std;

// === 1. 数据竞争：普通 int 的读-改-写不是原子的 ===
int unsafe_counter = 0;
// === 2. atomic：硬件级原子操作，天然线程安全 ===
atomic<int> safe_counter(0);

void unsafe_increment() {
    for (int i = 0; i < 100000; i++) unsafe_counter++;  // 可能被其他线程打断，丢失更新
}
void safe_increment() {
    for (int i = 0; i < 100000; i++) safe_counter++;    // atomic 保证「读-改-写」不可分割
}

// === 3. 内存序：release/acquire 建立线程间的同步点 ===
atomic<bool> ready(false);
// ⚠️ 踩坑提醒：这里不要命名为 data。
//    C++17 起标准库有 std::data()，配合上面的 using namespace std;
//    会让 data 变成歧义名，编译器报 "reference to 'data' is ambiguous"。
//    实际项目里建议少用 using namespace std; 或给变量起更具体的名字。
int payload = 0;

void writer() {
    payload = 42;                                // 普通写
    ready.store(true, memory_order_release);     // release：它之前的写不会重排到它之后
}
void reader() {
    while (!ready.load(memory_order_acquire)) {} // acquire：它之后的读不会重排到它之前
    cout << "reader 读到 payload = " << payload << endl;  // 一旦看到 ready=true，就保证看到 payload=42
}

int main() {
    cout << "=== 数据竞争 vs atomic ===" << endl;

// 非原子：两线程各加 10 万次，结果通常小于 20 万（更新被覆盖）
    thread u1(unsafe_increment);
    thread u2(unsafe_increment);
    u1.join(); u2.join();
    cout << "非原子计数: " << unsafe_counter << " (期望 200000，实际常偏小)" << endl;

// 原子：结果一定正确
    thread s1(safe_increment);
    thread s2(safe_increment);
    s1.join(); s2.join();
    cout << "atomic 计数: " << safe_counter << " (一定是 200000)" << endl;

cout << "\n=== release/acquire 内存序 ===" << endl;
    thread w(writer);
    thread r(reader);
    w.join(); r.join();

cout << "\n=== atomic 常用操作 ===" << endl;
    atomic<int> x(10);
    cout << "fetch_add(5) 返回旧值: " << x.fetch_add(5) << endl;   // 返回加之前的 10
    cout << "此时 x = " << x.load() << endl;                        // 15
    cout << "exchange(99) 返回旧值: " << x.exchange(99) << endl;   // 返回 15
    cout << "最终 x = " << x.load() << endl;                        // 99

return 0;
}

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第 6 关：内存模型与原子操作

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include <iostream>
include <thread>
include <atomic>

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