C++11及以后标准流的线程安全性与写入原子性问询

针对你提出的问题，我来逐个梳理各类流的线程安全特性：

核心结论 #

在C++11及后续标准中，不同线程通过单次<<运算符调用写入同一流的行为，线程安全性因流类型而异：

• std::stringstream：无线程安全保证。这类非同步的内存流，标准未规定并发访问的同步机制。多个线程同时操作同一个stringstream实例，可能导致流内部状态损坏、数据交错，属于未定义行为。
• std::cout / std::cerr：标准明确保证单次<<调用是原子操作。也就是说，每个线程通过一次<<写入的"一段数据"（比如单个字符、一个字符串）不会与其他线程的单次写入内容交错，也不会导致流损坏。但要注意：如果是多次<<拼接（例如cout << "hello" << "world"），这本质是多个独立的<<调用，标准不保证这整个序列的原子性，可能被其他线程打断。
• std::fstream：无线程安全保证。和stringstream一样，标准未对文件流的并发访问做同步要求，并发写入同一个fstream对象会触发未定义行为，可能出现数据乱序、文件损坏等问题。

测试验证情况 #

我在Ubuntu 18.04环境下，使用gcc 7.3.0编译器，以-std=c++17 -pthread -O3参数编译运行了测试代码，未观察到数据交错的情况。

测试代码 #

#include <iostream>
#include <thread>
#include <string>

// 向流中写入count个重复字符c，每次写入调用一次<<
void write_repeated_chars(char c, int count) {
    for (int i = 0; i < count; ++i) {
        std::cout << c;
    }
}

int main() {
    const int million = 1000000;
    // 创建两个线程，分别写入百万个0和百万个1
    std::thread thread_zero(write_repeated_chars, '0', million);
    std::thread thread_one(write_repeated_chars, '1', million);

    thread_zero.join();
    thread_one.join();
    std::cout << '\n';

    return 0;
}

测试结果 #

运行后输出为连续的百万个0接着百万个1，或者反过来（取决于线程调度顺序），但从未出现0和1交错的情况，这完全符合C++标准对std::cout单次<<调用原子性的保证。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Antonio Perez