C/C++中原子性按位与操作字节的最优方法是什么？

对于读-改-写类型的原子操作（比如你提到的按位与），最优方案是使用对应语言标准原生的原子库方法，具体分场景如下：

推荐方案 #

C++（C++11及以后） #

直接使用<atomic>库中std::atomic<T>的fetch_and成员函数，这是标准规定的原子读-改-写操作，编译器会针对目标硬件生成最优的原子指令（比如x86平台的LOCK AND，ARM平台的LDREX/STREX组合），性能拉满且代码简洁可移植。

示例代码：

#include <iostream>
#include <atomic>

std::atomic<uint8_t> byteCpp(0xFF);

int main() {
    // fetch_and会原子执行 读-按位与-写，返回操作前的旧值
    byteCpp.fetch_and(0xF0);
    std::cout << "Value of byteCpp: 0x" << std::hex << static_cast<int>(byteCpp.load()) << std::endl;
    return 0;
}

C语言（C11及以后） #

优先使用C11标准<stdatomic.h>中的atomic_fetch_and函数，同样是标准实现，跨平台性优于编译器扩展。如果项目必须兼容不支持C11的老版本GCC，再退而使用GCC扩展__sync_fetch_and_and。

标准C示例：

#include <stdio.h>
#include <stdatomic.h>
#include <stdint.h>

atomic_uint8_t byteC = ATOMIC_VAR_INIT(0xFF);

int main() {
    atomic_fetch_and(&byteC, 0xF0);
    printf("Value of byteC: 0x%X\n", atomic_load(&byteC));
    return 0;
}

老GCC兼容的扩展示例（仅作兼容用）：

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>

uint8_t byteC = 0xFF;

int main() {
    __sync_fetch_and_and(&byteC, 0xF0);
    printf("Value of byteC: 0x%X\n", byteC);
    return 0;
}

其他方案的劣势分析 #

互斥锁方案（pthread_mutex/std::lock_guard） #

这类方案是通过锁将读-改-写逻辑包裹为临界区，性能远低于原子指令：当存在线程竞争时，锁会触发内核态切换，开销是原子指令的数十到上百倍。仅适合复杂的多操作临界区，不适合单一的读-改-写原子操作。

compare_exchange_weak循环 #

这是用自旋方式模拟原子操作，虽然是用户态操作，但效率不如原生fetch_and：每次竞争失败都需要重新读取值并计算新值，而原生fetch_and是硬件直接支持的单条原子指令，一次操作即可完成。仅当标准库没有提供对应原子操作（比如自定义复合逻辑）时，才需要用这种方式模拟。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者vengy