C++ 多线程编程：原子操作、无锁编程与性能优化
1. 原子操作与内存顺序
在单线程的 C++ 程序中，不会出现数据竞争的风险，我们可以在不考虑指令重排的情况下编写程序。但在多线程程序中，涉及共享变量时情况就完全不同了。编译器和硬件的优化是基于单线程的观察结果进行的，它无法知晓其他线程通过共享变量能观察到什么，因此程序员需要告知编译器哪些重排是允许的。使用原子变量或互斥锁来避免数据竞争，就是在做这样的事情。
当使用互斥锁保护临界区时，只有持有锁的线程才能执行临界区代码。同时，互斥锁会在临界区周围创建内存屏障，告知系统在临界区边界某些重排是不允许的。获取锁时会添加获取屏障，释放锁时会添加释放屏障。
例如，假设有四条指令 i1、i2、i3 和 i4，它们相互独立，系统可以任意重排这些指令而不产生可观察的影响。其中 i2 和 i3 使用了共享数据，需要用互斥锁保护。添加互斥锁的获取和释放操作后，某些重排就不再有效了。临界区的指令不能移出临界区，否则将失去互斥锁的保护。i1 指令可以穿过获取屏障进入临界区，但不能越过释放屏障；i4 指令可以穿过释放屏障进入临界区，但不能越过获取屏障。
graph LR classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px; A(i1):::process --> B(获取锁):::process B --> C(i2):::process C --> D(i3):::process D --> E(释放锁):::process E
