Thread Learning

Thread/Atomic.md

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+哈哈，**行，这套并发三件套我们直接收官** 😄
+你已经把 `<thread>`、`<mutex>` 啃完了，现在这个 `<atomic>` **是精华也是雷区**。
+我给你一份**能当“原子操作说明书”的完整速查版**。
+
+---
+
+# 一、`<atomic>` 是干嘛的？一句话版
+
+> **`<atomic>` 用来做“无锁但安全”的共享小数据。**
+
+关键词只有三个：
+
+* 小
+* 简单
+* 高频
+
+典型：计数器、标志位、状态机。
+
+---
+
+# 二、`std::atomic<T>` 基础
+
+## 1️⃣ 定义原子变量
+
+```cpp
+#include <atomic>
+
+std::atomic<int> x{0};
+```
+
+### 支持的常见类型
+
+* `int / bool / long`
+* 指针
+* 枚举
+* trivially copyable 类型（有限）
+
+---
+
+## 2️⃣ 读 / 写（load / store）
+
+```cpp
+x.store(10);
+int v = x.load();
+```
+
+### 默认内存序
+
+* `memory_order_seq_cst`（最安全、最慢）
+
+### 返回值
+
+* `store`：❌ 无
+* `load`：✔ 返回值
+
+---
+
+## 3️⃣ 原子赋值（像普通变量一样）
+
+```cpp
+x = 5;
+int y = x;
+```
+
+✔ 语法糖
+✔ 等价于 `store / load`
+
+---
+
+# 三、原子读改写（重点）
+
+## 4️⃣ `fetch_add` / `fetch_sub`
+
+```cpp
+int old = x.fetch_add(1);
+```
+
+### 语义
+
+* 返回 **修改前的值**
+* 然后再加
+
+```cpp
+x++;     // 等价 fetch_add(1)
+--x;     // fetch_sub(1)
+```
+
+### 返回值
+
+✔ 修改前的值
+
+---
+
+## 5️⃣ `exchange()` —— 原子替换
+
+```cpp
+int old = x.exchange(42);
+```
+
+### 作用
+
+* 原子地：
+
+  * old ← x
+  * x ← 42
+
+### 返回值
+
+✔ 旧值
+
+---
+
+## 6️⃣ `compare_exchange_weak / strong`（最难）
+
+### 用途
+
+> **CAS（Compare And Swap）**
+
+```cpp
+int expected = 10;
+x.compare_exchange_strong(expected, 20);
+```
+
+### 行为
+
+* 如果 `x == expected`
+
+  * `x = 20`
+  * 返回 `true`
+* 否则
+
+  * `expected = x`
+  * 返回 `false`
+
+### 返回值
+
+✔ `bool`
+
+### weak vs strong
+
+| 版本       | 特点         |
+| -------- | ---------- |
+| `weak`   | 可能失败（用于循环） |
+| `strong` | 不会伪失败      |
+
+---
+
+# 四、指针原子（很实用）
+
+## 7️⃣ `std::atomic<T*>`
+
+```cpp
+std::atomic<Node*> p;
+```
+
+### 常用操作
+
+```cpp
+Node* old = p.load();
+p.store(new_node);
+```
+
+```cpp
+p.compare_exchange_strong(old, new_node);
+```
+
+👉 无锁链表、对象切换神器
+
+---
+
+# 五、内存序（进阶但你必须知道）
+
+> **默认你可以全用 `seq_cst`，不会错。**
+
+### 常见枚举
+
+```cpp
+std::memory_order_relaxed
+std::memory_order_acquire
+std::memory_order_release
+std::memory_order_acq_rel
+std::memory_order_seq_cst
+```
+
+### 什么时候用？
+
+| 场景        | 内存序               |
+| --------- | ----------------- |
+| 简单计数      | relaxed           |
+| 生产者 / 消费者 | acquire / release |
+| 不想翻车      | seq_cst           |
+
+---
+
+## 示例（生产者-消费者）
+
+```cpp
+data = 42;
+flag.store(true, memory_order_release);
+```
+
+```cpp
+while (!flag.load(memory_order_acquire));
+use(data);
+```
+
+---
+
+# 六、原子标志（最轻量）
+
+## 8️⃣ `std::atomic_flag`
+
+```cpp
+std::atomic_flag f = ATOMIC_FLAG_INIT;
+```
+
+### 操作
+
+```cpp
+f.test_and_set();  // 返回旧值
+f.clear();
+```
+
+✔ 自旋锁
+✔ 最底层
+
+---
+
+# 七、等待 / 通知（C++20）
+
+## 9️⃣ `wait / notify_one / notify_all`
+
+```cpp
+x.wait(0);
+x.store(1);
+x.notify_one();
+```
+
+### 作用
+
+* 原子级别的条件变量
+* 无 mutex
+
+### 返回值
+
+❌ 无
+
+---
+
+# 八、完整 API 总表（收藏）
+
+| API                         | 作用      | 返回值  |
+| --------------------------- | ------- | ---- |
+| `atomic<T>`                 | 原子变量    | —    |
+| `load()`                    | 原子读     | T    |
+| `store()`                   | 原子写     | void |
+| `exchange()`                | 替换      | T    |
+| `fetch_add()`               | 加       | T    |
+| `fetch_sub()`               | 减       | T    |
+| `compare_exchange_weak()`   | CAS     | bool |
+| `compare_exchange_strong()` | CAS     | bool |
+| `atomic_flag`               | 最小原子    | —    |
+| `test_and_set()`            | 设置并返回旧值 | bool |
+| `clear()`                   | 清空      | void |
+| `wait()`                    | 等待      | void |
+| `notify_one()`              | 唤醒一个    | void |
+| `notify_all()`              | 唤醒全部    | void |
+
+---
+
+# 九、什么时候用 atomic？一句判断法
+
+> **如果共享数据：**
+>
+> * 类型简单
+> * 操作简单
+> * 不涉及多个变量一致性
+
+👉 **atomic**
+
+否则：
+
+👉 **mutex**
+
+---
+
+# 🔥 十、新手 atomic 四大雷区（务必避开）
+
+1️⃣ **以为 atomic 能解决一切**（不能）
+2️⃣ **多个 atomic 组合 ≠ 原子整体**
+3️⃣ **乱用 relaxed**
+4️⃣ **atomic + 普通变量混用无同步**
+
+---
+
+# 十一、你现在的并发地图已经完整了
+
+```text
+thread  → 干活
+mutex   → 防抢
+atomic  → 快而小
+future  → 拿结果
+```
+
+你现在完全可以：
+
+* 看懂并发代码
+* 写不翻车的并发
+* 判断“该不该多线程”
+
+---
+
+如果你愿意，**最后一关**我可以带你做：
+
+* 🔥 一个 **无锁队列（atomic + CAS）**
+* 🔥 或把你之前那个拷贝工具 **升级成 atomic 进度条**
+* 🔥 或讲 **C++ 内存模型白话终极版**
+
+你点哪个，我收官。