原子操作到底是什么？为什么会有原子操作这个概念？C++中怎么去使用原子操作？本文将会一一解答这些问题。
什么是原子操作
我们知道原子通常是指化学反应中不可分割的最小单位，顾名思义，原子操作 是指在执行过程中不会被中断的操作，它要么执行成功，要么执行失败，不会出现执行一半的情况。
现在让我们思考一下
++、--、+=、-=这些操作是不是原子操作？
显然这些操作都是要么执行成功，要么执行失败的，所以这些操作都是原子操作。(然而真的是这样吗 
)。
这些操作确实也只需要一个 CPU 指令就可以完成，但绝对不能简单的就把他们认为是原子操作
。
这些操作在单核 CPU 上确实是原子操作，但是在多核 CPU 上就不是了，由于每个 CPU 上的每个核都有自己的缓存，当多个核同时对同一个变量进行操作的时候，就会出现数据不一致的情况，这就是所谓的 缓存一致性 问题。下面我们就来聊聊缓存一致性问题吧。
缓存一致性问题
缓存
对于 CPU 而言，它从寄存器文件中读数据比内存中读取几乎要快 100 倍。随着这些年半导体技术的进步，这种处理器内存之间的差距还在持续增大。当 CPU 试图从内存中读取数据时，CPU 不得不等待几百个时钟周期，这个等待时间对于 CPU 而言是非常漫长的。
针对这种处理器内存之间的差异，系统设计者采用了更小更快的存储设备，称为 高速缓存存储器（cache memory，简称为 cache 或高速缓存），作为暂时的集结区域，用来存放处理器近期可能会需要的信息。根据程序的空间局部性和时间局部性原理， 缓存命中率 可以达到 70～90% 。因此， 缓存作为CPU内存之间的缓冲，可以大大提高系统的性能。
CPU Cache 通常分为三级缓存：L1 Cache、L2 Cache、L3 Cache，级别越低的离 CPU 核心越近，访问速度也快，但是存储容量相对就会越小。其中，在多核心的 CPU 里，每个核心都有各自的 L1/L2 Cache，而 L3 Cache 是所有核心共享使用的。
缓存中的最小存储单元是 缓存行，一般为 64 字节，也就是 8 个 8 字节的数据。当 CPU 从内存中读取数据是按照缓存行为单位进行读取的。
缓存一致性
缓存一致性问题是指当多个 CPU 同时对同一个变量进行操作的时候，就会出现数据不一致的情况。这里的数据不一致指的是同一个变量在不同的 CPU 中的值不一样。为了保证数据的一致性，CPU 使用了 缓存一致性协议。如 MESI 协议、MSI 协议、MOESI 协议等。由于这些协议的存在，使得原子操作的实现成为可能。
下面我们看一个例子，我们用两个线程对同一个变量进行自增操作，代码如下：
#include <iostream>
int main() {
int a = 0;
std::thread t1([&a]() {
for (int i = 0; i < 1000000; ++i) {
++a;
}
});
std::thread t2([&a]() {
for (int i = 0; i < 1000000; ++i) {
++a;
}
});
t1.join();
t2.join();
std::cout << a << std::endl;
return 0;
}
我们在这里使用了 C++11 中的线程库，这里的 std::thread 是一个线程类，它的构造函数接受一个函数对象作为参数，这个函数对象就是我们要在线程中执行的函数。我们在这里使用了一个 lambda 表达式作为函数对象，这个 lambda 表达式中使用 &a 捕获外部变量 a，然后对a自增 100000 次。
也许你会想到这个程序的输出应该是 2000000，但是实际上这个程序的输出是不确定的，每次运行的结果都不一样，这是因为这里的自增操作不是原子操作，所以会出现数据不一致的情况。下面就该原子操作登场了。
C++中的原子操作
C++11 中提供了一个 std::atomic 模板类，可以用来包装任意类型的数据，使其操作变为原子操作。我们可以使用 std::atomic 来包装 a，使得 a 的自增操作变为原子操作，代码如下：
#include <iostream>
#include <atomic>
int main() {
std::atomic<int> a(0);
std::thread t1([&a]() {
for (int i = 0; i < 1000000; ++i) {
++a;
}
});
std::thread t2([&a]() {
for (int i = 0; i < 1000000; ++i) {
++a;
}
});
t1.join();
t2.join();
std::cout << a << std::endl;
return 0;
}
这里我们使用 std::atomic<int> 来包装 a，使得 a 的自增操作变为原子操作。这样我们就可以保证 a 的自增操作是原子的了，这样就不会出现数据不一致的情况了。
除了 std::atomic 之外，C++11 还提供了一些原子操作的函数，如 std::atomic_load、std::atomic_store、std::atomic_exchange、std::atomic_compare_exchange 等。这些函数可以用来对 std::atomic 类型的数据进行操作，这些操作在下一章节中会详细介绍。
参考文献
https://hansimov.gitbook.io/csapp/ch01-a-tour-of-computer-systems/1.5 https://www.xiaolincoding.com/os/1_hardware/cpu_mesi.html https://en.wikipedia.org/wiki/Cache_coherence