在 C++17 及以后，标准库提供了原子类型和线程同步工具，可以让我们在多线程环境下安全地实现计数器。下面以一个简单的 “线程安全计数器” 为例，演示如何结合 std::atomic、std::mutex 与 std::shared_mutex 进行设计，并讨论常见的陷阱与最佳实践。
1. 需求与约束
- 并发写：多个线程可以同时对计数器进行递增/递减操作。
- 并发读：任意线程都可以读取计数器的当前值。
- 性能优先：读操作占主导，写操作相对稀疏。
- 线程安全：在所有并发场景下均保持内部状态一致。
2. 设计方案
2.1 使用 `std::atomic
`
最简单的实现是直接使用原子整数：
“`cpp
class ThreadSafeCounter {
public:
void inc() noexcept { counter_.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed); }
void dec() noexcept { counter_.fetch_sub(1, std::memory_order_relaxed); }
int64_t get() const noexcept { return counter_.load(std::memory_order_relaxed); }
private:
std::atomic
counter_{0};
};
“`
– **优点**：无锁、极低开销；读写操作都不需要阻塞。
– **缺点**：如果计数器需要支持更复杂的操作（如“读+写”复合事务），原子整数无法满足。
#### 2.2 结合 `std::mutex` 与 `std::shared_mutex`
当需要复合事务或批量操作时，使用读写锁可提供更细粒度控制。
“`cpp
class AdvancedCounter {
public:
void inc() noexcept { std::unique_lock lock(mutex_); ++value_; }
void dec() noexcept { std::unique_lock lock(mutex_); –value_; }
int64_t get() const noexcept {
std::shared_lock lock(mutex_);
return value_;
}
// 复合操作：返回当前值后再加一
int64_t get_and_inc() noexcept {
std::unique_lock lock(mutex_);
int64_t old = value_;
++value_;
return old;
}
private:
mutable std::shared_mutex mutex_;
int64_t value_{0};
};
“`
– **优点**：读多写少的场景下，读操作不会被写操作阻塞。
– **缺点**：锁的开销高于原子操作，尤其在高竞争环境下。
—
### 3. 性能评测（示例）
| 实现 | 写操作占比 | 读/写比 | 4 线程读 | 4 线程写 | 读写交替 |
|——|————|———-|———–|———–|———–|
| `std::atomic` | 10% | 90% | 3.2 GHz | 1.8 GHz | 2.4 GHz |
| `std::shared_mutex` | 10% | 90% | 2.6 GHz | 1.4 GHz | 1.9 GHz |
> **结论**：若写操作极少，原子计数器更优；若写操作相对频繁或需要复合事务，读写锁更合适。
—
### 4. 常见陷阱
| 失误 | 影响 | 解决方案 |
|——|——|———–|
| 使用 `memory_order_seq_cst` | 性能不必要下降 | 对于单一计数器，`memory_order_relaxed` 已足够 |
| 忘记 `volatile` | 现代编译器已自动优化 | 无需手动添加 `volatile` |
| 将 `std::atomic` 与 `std::mutex` 混用 | 造成死锁或不一致 | 只使用一种同步机制，或明确使用层次化锁 |
—
### 5. 小技巧
1. **批量更新**：如果有大量递增，可先在本地累加，最后一次性写回，减少锁竞争。
2. **自定义内存序**：在需要与硬件同步的场景下，可考虑 `memory_order_acquire/release`。
3. **调试**：利用 `std::atomic` 的 `load`/`store` 内存序与 `-fsanitize=thread` 结合，快速定位数据竞争。
—
### 6. 结语
C++ 标准库为并发计数器提供了多种实现路径。通过理解原子操作与锁机制的权衡，并结合实际业务需求，可轻松实现既安全又高效的计数器。希望本篇文章能帮助你在多线程项目中快速上手，并避免常见的并发错误。
