最近重翻了《Effective Modern C++》这本书。

言简意赅，对如何高效使用 C++ 11，提供了不少具体可行的建议。

尤其是并发的部分。

Meyers 说：

优先选用基于任务而非基于线程的程序设计。

这让我想到前一篇关于 Chromium 任务的 文章🔗。

另外是关于 std::atomic。

书里没有谈锁和条件变量，美中不足。

今天这篇文章，打算把这一块拼图补上，谈一谈原子操作（Atomic Operation）和锁（Lock），各自的概念，差异，适合的场景。

通常我们认为的原子操作更快，锁的开销很大，究竟正确吗？

1. 概念

首先要清楚，对于单线程编程，原子操作和锁都是不需要的。

只有在并发编程的时候才会用到。

熟悉并发编程的朋友应该都清楚，多个线程，同时访问同一块内存，会导致冲突。

举个通俗的例子。

两个人，面前有块黑板，黑板上有个数字。两个人的任务，都是将黑板上的数字加一后写下来。

最开始的数字是 1。

两个人同时来到黑板面前，看到数字后，心里计算了一会儿，开始写。

那么黑板上最后的数字可能是什么？

可能是 2，也可能是 3。

有可能是 2，是因为如果两人在对方写之前，看到的都是 1 这个数字，最后的结果就是 2。

解决这个问题，有两个办法，一种是将读和写操作包装成一个不可分割的整体，另外就是一个人“独占”黑板直到释放。

即原子操作和锁分别要做的事情。

在开始学习并发编程的时候，我将其误认为是一个东西。其实不是。它们底层的生效机制完全不同。

原子操作是指一项操作不能被分解和中断。像上文提到的例子，如果将读和写合并成一个操作，最后的结果只能是 3。

锁是通过阻塞其他线程，确保只有一个线程可以访问共享资源。这看上去有些霸道，不过可以解决问题：在特定时间，黑板只属于我一个人，其他人都得等着。

2. 差异

从使用上看，C++ 分别提供了 std::atomic<T> 和 std::mutex。

各自用法如下：

// 方案 A：原子操作
std::atomic<int> counter{0};
void increment() {
    counter.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed);
}

// 方案 B：互斥锁
std::mutex mtx;
int counter = 0;
void increment() {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
    ++counter;
}

通常，原子操作针对一个特定对象，粒度较细；锁则是一块区域，经常是多个变量，粒度较粗。

在底层实现上，差异更大。

原子操作依赖 CPU 的 LOCK 指令前缀。

举例来说，x86 在执行 LOCK ADD 时，背后发生了：

• 使用缓存锁定（Cache Locking） 锁定缓存行
• 如果数据没有缓存或跨缓存行，总线锁定（Bus Locking）
• 操作完成后利用 MESI 协议维护缓存一致性

这里有许多背景知识需要填充。

由于 CPU 处理和内存访问的速度差异极大，因此 CPU 内部有 多级缓存🔗。多核心缓存的一致性，通过 协议🔗 协议证。

根据局部性（Locality）原理，缓存一般以行为单位组织，称为缓存行（Cache Line），主流大小是 64 Bytes。

很多时候，CPU 都是直接从缓存行里读取变量，效率更高。

如果变量在缓存行里，锁定该行，阻塞其他核对该行的操作。

如果变量不在缓存里，就要从内存中读取，此时锁定总线，阻塞其他核和内存的通信。这种方式开销较大。

最后执行缓存一致性协议，常见的有 MESI 协议🔗。

这里提一嘴 volatile，因为 Meyers 在书中也提到了。它只是用来防止编译器优化，确保每次都从内存中读取，本身无法保证原子性。

相较于 CPU 原生支持的原子指令，锁的实现更多放在操作系统里。这里以 Linux 为例。

• 利用 Futex🔗 机制先在用户态自旋
• 若成功，直接进入临界区，不必进入内核态；失败后执行系统调用，进入内核态，在队列中等待唤醒
• 借助 优先级继承（Priority Inheritance）🔗 优先级继承（Priority Inheritance）少优先级反转的问题（对实时系统（RTOS）影响较大）

由此可见，在 Linux 平台上，如果没有竞争（Race），加减锁的开销理应很小，毕竟都是在用户态完成。

看上去平平无奇的一把锁，操作系统其实在背后做了很多优化：核心是尽可能减少进入内核态。无论是 futex 的使用，还是自旋等待，都是在拖延进入内核态的时间。

有点 惰性求值🔗 惰性求值味道。

3. 最佳实践

最后说点实用的，什么时候用原子操作，什么时候用锁。

一句话概括，简单变量，或者说简单操作，例如标志位，用原子操作；复杂变量，尤其是涉及多个变量，或操作较多，用锁。

原子操作是 CPU 天生支持，性能很好；锁的话，因为会导致线程挂起，性能略差。

当然，这只是理论上。对于实际环境中的性能测试，最好用 Profiler 验证。

DeepSeek 说，

真正的高手既不会滥用锁导致性能泥潭，也不会迷信原子操作带来隐蔽 bug。记住：没有最好的同步机制，只有最合适的场景选择。

其实最好的同步机制也是有的，就是没有同步。

就像 Chromium 搭建的那套基础设施一样。

4. 总结

看似简单的两个概念背后，涉及到硬件和操作系统的无数优化。

侯捷说：源码面前，了无秘密。

有时候，尤其是现在，光会写代码是不够的，要深入到底层，了解原理，方能以不变应万变。

最近在用 Cursor，我发现，单论写代码，恐怕是写不过它的。而且差距估计会越来愈大。

人的优势，在于对生活的好奇，对现实的抽象，对问题的系统性认识，和对未知领域的探索。

（完）

参考

1. Effective Modern C++（中文版） (豆瓣)🔗
2. 线性一致性 - 维基百科，自由的百科全书🔗
3. 互斥锁 - 维基百科，自由的百科全书🔗