面试题：如何理解 C++ 中的 atomic？

在 C++ 中，std::atomic 是一个模板类，用于实现原子操作。原子操作是不可分割的操作，即在多线程环境中，一个线程执行原子操作时，不会被其他线程中断。std::atomic 提供了一种高效的方式来保证多线程环境下的数据同步，避免了使用锁（如 std::mutex）带来的性能开销。

1. `std::atomic` 的核心概念

原子性：
- 原子操作是不可分割的，要么完全执行，要么完全不执行。
- 在多线程环境中，原子操作可以避免数据竞争（Data Race）。
内存顺序：
- std::atomic 支持多种内存顺序（Memory Order），用于控制原子操作的可见性和顺序性。
- 内存顺序决定了其他线程看到原子操作的顺序。
无锁编程：
- std::atomic 是实现无锁数据结构（Lock-Free Data Structures）的基础。
- 无锁编程可以提高并发性能，但实现复杂度较高。

2. `std::atomic` 的常用操作

std::atomic 提供了多种原子操作，常用的操作包括：

（1）加载（Load）

从原子变量中读取值。

（2）存储（Store）

向原子变量中写入值。

（3）读-修改-写操作

fetch_add：原子地增加变量的值，并返回旧值。
fetch_sub：原子地减少变量的值，并返回旧值。
exchange：原子地交换变量的值，并返回旧值。
compare_exchange_weak 和 compare_exchange_strong：
- 比较并交换操作，用于实现无锁数据结构。

3. 内存顺序（Memory Order）

std::atomic 支持多种内存顺序，用于控制原子操作的可见性和顺序性。常用的内存顺序包括：

内存顺序	特性
`memory_order_relaxed`	只保证原子性，不保证顺序性和可见性。
`memory_order_consume`	保证数据依赖的顺序性（较少使用）。
`memory_order_acquire`	保证后续操作不会重排序到加载操作之前，确保看到释放操作之前的写入。
`memory_order_release`	保证之前操作不会重排序到存储操作之后，确保写入对获取操作可见。
`memory_order_acq_rel`	结合获取和释放语义，适用于读-修改-写操作。
`memory_order_seq_cst`	保证全局一致性，所有线程看到的操作顺序一致（默认内存顺序）。

4. `std::atomic` 的使用场景

（1）计数器

使用 fetch_add 或 fetch_sub 实现线程安全的计数器。

（2）标志位

使用 std::atomic<bool> 实现线程安全的标志位。

（3）无锁数据结构

使用 compare_exchange_weak 或 compare_exchange_strong 实现无锁队列、栈等数据结构。

5. `std::atomic` 的示例

以下是一个完整的示例，展示了 std::atomic 的使用：

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

std::atomic<int> counter{0};

void increment() {
    for (int i = 0; i < 100000; ++i) {
        counter.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed);
    }
}

int main() {
    std::thread t1(increment);
    std::thread t2(increment);

    t1.join();
    t2.join();

    std::cout << "Counter: " << counter.load() << std::endl;
    return 0;
}