编程中原子操作的适用场景：单读写线程能否省略原子操作？

问题背景 #

已知CPU提供原子指令用于原子性访问指定内存地址，但对原子指令的适用场景存在疑惑：有专家指出“当超过两个线程访问共享变量时应使用原子操作”，但想明确单读单写线程访问共享变量的情况——是否可以省略原子操作？

非原子代码示例 #

以下是单读单写的非原子实现代码：

#define READY 1
#define NOTREADY 0

int flag;
int msg;

// 读线程
void reader() {
    while (flag == NOTREADY) ;  // 非原子访问

    process(msg);

    flag = NOTREADY;  // 非原子访问
}

// 写线程
void writer() {
    while (1) {
        while (flag == READY) ;
        msg = send_msg();
        flag = READY;  // 非原子访问
    }
}

逻辑说明：读线程循环等待flag变为READY后处理msg，再将flag重置为NOTREADY；写线程循环等待flag为NOTREADY后赋值msg，再设置flag为READY。

测试代码及现象 #

我运行了如下测试代码，结果看似正常：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

#define READY 1
#define NOTREADY 0

int msg, flag = NOTREADY, cnt = 0;

void process(int msg) {
  printf("Processing msg: %d\n", msg);
}

void *reader() {
  while (cnt < 200000) {
    while (flag == NOTREADY) ;

    process(msg);

    flag = NOTREADY;
  }
}

int send_msg() {
  cnt ++;
  printf("Sending msg: %d\n", cnt);
  return cnt;
}

void *writer() {
  while (cnt < 200000) {
    while (flag == READY) ;

    msg = send_msg();

    flag = READY;
  }
}

int main() {
  pthread_t r_id, w_id;
  pthread_create(&r_id, NULL, reader, NULL);
  pthread_create(&w_id, NULL, writer, NULL);

  pthread_join(r_id, NULL);
  pthread_join(w_id, NULL);

  return 0;
}

核心疑问 #

当程序仅有一个读线程和一个写线程访问共享变量时，是否可以省略原子操作？若不能，原因是什么？

回答 #

即使是单读单写线程，也不能随意省略原子操作（或等价的内存同步机制），核心原因涉及以下几点：

1. 编译器优化导致的可见性问题 #

普通变量的读写没有内存同步语义，编译器会基于“线程内代码无副作用”的假设做优化。比如读线程中的while (flag == NOTREADY)，编译器可能会将flag的值缓存到寄存器中，不再从内存重新读取——这会导致读线程永远看不到写线程对flag的修改，直接陷入死循环。

你当前的测试代码能正常运行，是因为printf内部包含锁操作，相当于隐式插入了内存屏障，强制刷新了CPU缓存，让flag的修改能被读线程感知。如果去掉printf、开启更高优化级别（如-O2），死循环问题会立刻暴露。

2. 硬件/编译器的指令重排问题 #

写线程中msg = send_msg();和flag = READY;的执行顺序，编译器或CPU可能会进行重排——也就是说，flag被设置为READY的操作可能先于msg的赋值完成。这会导致读线程看到flag为READY时，读到的是msg的旧值，出现逻辑错误。

普通变量的读写没有内存屏障约束，无法保证操作的顺序性，这种重排是完全符合C标准的未定义行为。

3. 原子性的潜在风险 #

虽然大多数现代CPU对int类型的单个读写指令是原子的，但C标准并没有保证普通变量的读写是原子的。如果变量大小超过CPU字长（比如32位CPU上的64位变量），普通读写会被拆分为多个指令，必然是非原子的，可能出现读写撕裂的问题。

正确的做法 #

针对单读单写的场景，推荐两种可靠方案：

• 使用C标准的原子类型：将flag和msg声明为_Atomic int，既保证原子性，又提供可见性和内存顺序约束。
• 使用互斥锁：通过pthread_mutex_t对共享变量的访问加锁，虽然开销略高，但逻辑更直观，也能避免所有线程同步问题。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Teng Wu