C語言原子操作是在C11（C11：標準是C語言標準的第三版，前一個標準版本是[C99]標準）引入的，定義在頭文件 <stdatomic.h>中。C++11也對原子操作進了封裝，定義在頭文件<atomic>中，這里不過多的介紹。Mac系統里有對原子操作的頭文件stdatomic.h，本文的介紹也是基于這個頭文件。
1、無鎖數據類型
以下宏定義數據類型為無鎖數據類型，這些數據類型可以使用標準原子操作函數讀取、加載、修改。
#define ATOMIC_BOOL_LOCK_FREE __CLANG_ATOMIC_BOOL_LOCK_FREE
#define ATOMIC_CHAR_LOCK_FREE __CLANG_ATOMIC_CHAR_LOCK_FREE
#define ATOMIC_CHAR16_T_LOCK_FREE __CLANG_ATOMIC_CHAR16_T_LOCK_FREE
#define ATOMIC_CHAR32_T_LOCK_FREE __CLANG_ATOMIC_CHAR32_T_LOCK_FREE
#define ATOMIC_WCHAR_T_LOCK_FREE __CLANG_ATOMIC_WCHAR_T_LOCK_FREE
#define ATOMIC_SHORT_LOCK_FREE __CLANG_ATOMIC_SHORT_LOCK_FREE
#define ATOMIC_INT_LOCK_FREE __CLANG_ATOMIC_INT_LOCK_FREE
#define ATOMIC_LONG_LOCK_FREE __CLANG_ATOMIC_LONG_LOCK_FREE
#define ATOMIC_LLONG_LOCK_FREE __CLANG_ATOMIC_LLONG_LOCK_FREE
#define ATOMIC_POINTER_LOCK_FREE __CLANG_ATOMIC_POINTER_LOCK_FREE
_Bool atomic_is_lock_free( const volatile A* obj );
使用atomic_is_lock_free判斷原子對子對象是否是無鎖的，如果對象的所有數據類型都支持原子操作返回true。
#include <iostream>
#include <stdatomic.h>
int main(int argc, const char * argv[]) {
atomic_uint _atomic_int;
atomic_init(&_atomic_int, 1);
uint32_t _a_int = 0;
std::cout<<atomic_is_lock_free(&_atomic_int)<<std::endl;
std::cout<<atomic_is_lock_free(&_a_int)<<std::endl;
return 0;
}
2、原子操作的數據類型
以下數據類型為標準中定義的支持原子操作的數據類型：
#ifdef __cplusplus
typedef _Atomic(bool) atomic_bool;
#else
typedef _Atomic(_Bool) atomic_bool;
#endif
typedef _Atomic(char) atomic_char;
typedef _Atomic(signed char) atomic_schar;
typedef _Atomic(unsigned char) atomic_uchar;
typedef _Atomic(short) atomic_short;
typedef _Atomic(unsigned short) atomic_ushort;
typedef _Atomic(int) atomic_int;
typedef _Atomic(unsigned int) atomic_uint;
typedef _Atomic(long) atomic_long;
typedef _Atomic(unsigned long) atomic_ulong;
typedef _Atomic(long long) atomic_llong;
typedef _Atomic(unsigned long long) atomic_ullong;
typedef _Atomic(uint_least16_t) atomic_char16_t;
typedef _Atomic(uint_least32_t) atomic_char32_t;
typedef _Atomic(wchar_t) atomic_wchar_t;
typedef _Atomic(int_least8_t) atomic_int_least8_t;
typedef _Atomic(uint_least8_t) atomic_uint_least8_t;
typedef _Atomic(int_least16_t) atomic_int_least16_t;
typedef _Atomic(uint_least16_t) atomic_uint_least16_t;
typedef _Atomic(int_least32_t) atomic_int_least32_t;
typedef _Atomic(uint_least32_t) atomic_uint_least32_t;
typedef _Atomic(int_least64_t) atomic_int_least64_t;
typedef _Atomic(uint_least64_t) atomic_uint_least64_t;
typedef _Atomic(int_fast8_t) atomic_int_fast8_t;
typedef _Atomic(uint_fast8_t) atomic_uint_fast8_t;
typedef _Atomic(int_fast16_t) atomic_int_fast16_t;
typedef _Atomic(uint_fast16_t) atomic_uint_fast16_t;
typedef _Atomic(int_fast32_t) atomic_int_fast32_t;
typedef _Atomic(uint_fast32_t) atomic_uint_fast32_t;
typedef _Atomic(int_fast64_t) atomic_int_fast64_t;
typedef _Atomic(uint_fast64_t) atomic_uint_fast64_t;
typedef _Atomic(intptr_t) atomic_intptr_t;
typedef _Atomic(uintptr_t) atomic_uintptr_t;
typedef _Atomic(size_t) atomic_size_t;
typedef _Atomic(ptrdiff_t) atomic_ptrdiff_t;
typedef _Atomic(intmax_t) atomic_intmax_t;
typedef _Atomic(uintmax_t) atomic_uintmax_t;
#define ATOMIC_VAR_INIT(value) (value)
#define atomic_init __c11_atomic_init
ATOMIC_VAR_INIT用來初始化一個新的原子對象，atomic_bool flag = ATOMIC_VAR_INIT(1); ATOMIC_VAR_INIT已在C17中被聲明為Deprecated，不建議使用。
atomic_init ： 用來初始化一個存在的原子對象 fatomic_init(&flag, 0);
// obj： 原子對象的指針
// desired： 給定的原子對象的初始值
void atomic_init( volatile A* obj, C desired );
3、讀取、寫入操作
寫入（Store operation）
void atomic_store( volatile A* obj , C desired);
void atomic_store_explicit( volatile A* obj, C desired, memory_order order);
atomic_store和atomic_store_explicit：是原子寫入操作，將原子對象的值更換為desired的值。
obj：原子對象的指針。
desired：期望寫入的值。
order：內存模型。atomic_store帶有缺省的內存模型是：memory_order_seq_cst，atomic_store_explicit可使用的內存模型有：memory_order_relaxed，memory_order_release，memory_order_seq_cst。
讀取（Load operation ）
C atomic_load( const volatile A* obj );
C atomic_load_explicit( const volatile A* obj, memory_order order);
atomic_load和atomic_load_explicit：是原子讀取操作，返回原子對象的值。
obj：原子對象的指針。
order：內存模型。atomic_load帶有缺省的內存模型是：memory_order_seq_cst；可使用的內存模型有：memory_order_relaxed，memory_order_acquire，memory_order_consume，memory_order_seq_cst*。
4、讀取-修改-寫入操作（read-modify-write operation）
原子交換
C atomic_exchange( volatile A* obj, C desired );
C atomic_exchange_explicit( volatile A* obj, C desired, memory_order order );
atomic_exchange和atomic_exchange_explicit：是原子交換操作，將desired的值寫入到原子對象，并返回之前保存的舊值。
obj：原子對象的指針。
desired：期望交換的新值。
order：內存模型，所有的內存模型都可以。
原子比較交換
_Bool atomic_compare_exchange_strong( volatile A* obj, C* expected, C desired );
_Bool atomic_compare_exchange_weak( volatile A *obj, C* expected, C desired );
_Bool atomic_compare_exchange_strong_explicit( volatile A* obj, C* expected, C desired, memory_order succ, memory_order fail);
_Bool atomic_compare_exchange_weak_explicit( volatile A *obj, C* expected, C desired, memory_order succ, memory_order fail);
atomic_compare_exchange：比較原子對象*obj和*expected對象，如果相等將desired的值寫入原子對象obj并返回true；否則將原子對象的值取出，然后寫入到expected，并返回false。
obj：原子對象的指針。
expected：要比較對象的指針。
desired：比較不相等，期望寫入的新值。
succ：比較相等時的read-modify-write內存模型，所有的內存模型都可以。
fail：指定比較不相等時的load操作的內存模型，可使用的內存模型有：memory_order_relaxed，memory_order_acquire，memory_order_consume，memory_order_seq_cst。
以weak修飾的版本允許出現虛假的失敗（Fail Spuriously），在循環中weak修飾的比較-交換操作可能在出現*obj != *expected的情況（其實它們相等），weak修飾的版本可能在某些平臺上擁有更好的性能。weak版本可能需要一個循環，但是strong版本不需要。
原子的加、減、或、異或、并
// 原子加 *obj +=arg;
C atomic_fetch_add( volatile A* obj, M arg );
C atomic_fetch_add_explicit( volatile A* obj, M arg, memory_order order );
// 原子減 *obj -=arg;
C atomic_fetch_sub( volatile A* obj, M arg );
C atomic_fetch_sub_explicit( volatile A* obj, M arg, memory_order order );
// 原子或 *obj |=arg;
C atomic_fetch_or( volatile A* obj, M arg );
C atomic_fetch_or_explicit( volatile A* obj, M arg, memory_order order );
// 原子異或 *obj ^=arg;
C atomic_fetch_xor( volatile A* obj, M arg );
C atomic_fetch_xor_explicit( volatile A* obj, M arg, memory_order order );
// 原子并 *obj &=arg;
C atomic_fetch_and( volatile A* obj, M arg );
C atomic_fetch_and_explicit( volatile A* obj, M arg, memory_order order );
obj：原子對象的指針。
arg：要加上、減上、或上、異或上、并上的值。
order：內存模型，所有的內存模型都可以。
5、原子標記（atomic_flag）
atomic_flag：無鎖原子布爾類型。
以下代碼初始化atomic_flag類型變量。
#include <stdatomic.h>
atomic_flag flag = ATOMIC_FLAG_INIT; // #define ATOMIC_FLAG_INIT /* unspecified */
_Bool atomic_flag_test_and_set( volatile atomic_flag* obj );
_Bool atomic_flag_test_and_set_explicit( volatile atomic_flag* obj, memory_order order );
atomic_flag_test_and_set和atomic_flag_test_and_set_explicit：原子的設置標記值為true，并返回原理的標記值。
void atomic_flag_clear( volatile atomic_flag* obj );
void atomic_flag_clear_explicit( volatile atomic_flag* obj, memory_order order );
atomic_flag_clear和atomic_flag_clear_explicit：原子的將標記值設置為false。
6、內存屏障
void atomic_thread_fence( memory_order order );
atomic_thread_fence用來創建多線程內存屏障，和使用原子對象的同步語義作用一樣，但是不需要原子對象。
order：內存順序，所有標記都可以。
- atomic_thread_fence(memory_order_relaxed)：這個沒有作用
- atomic_thread_fence(memory_order_acquire) 和 atomic_thread_fence(memory_order_consume) ：內存讀（acquire）屏障。
- atomic_thread_fence(memory_order_release) ：內存寫（release）屏障。
- atomic_thread_fence(memory_order_acq_rel)： 既是讀屏障 也是寫屏障，也可以叫做完全內存屏障（full memory fence），保障了早于屏障的內存讀寫操作的結果提交到內存之后，再執行晚于屏障的讀寫操作。。
- atomic_thread_fence(memory_order_seq_cst) ：保證完全順序一致性的完全內存屏障，約束最強。
7、內存順序（Memory Order）
內存順序指定CPU 讀取內存數據的順序，內存的排序可能發生在編譯器編譯期間，也可能發生在 CPU 指令執行期間。
int a = 1; int b = 2;上面的代碼經過編譯器重排后可能出現：先初始化b，再初始化a的情況。即使編譯器重排后指令是按照代碼書寫順序排列的，在運行期間CPU也可能出現重排現象：先初始化b，在初始化a。
為了提高計算機資源利用率和性能，編譯器會對代碼進行重排， CPU 也會對指令進行重新排序、延緩執行、各種緩存等等，以達到更好的執行效果。當然，任何排序都不能違背代碼本身所表達的意義，在單線程情況下，這些優化通常不會有任何問題。
但是在多線程環境下，比如無鎖（lock-free）數據結構的設計中，指令的亂序執行會造成無法預測的行為。所以我們引入了內存柵欄（Memory Barrier）這一概念來解決可能存在的并發問題。
內存柵欄 (Memory Barrier)
內存柵欄是一個令 CPU 或編譯器在內存操作上限制內存操作順序的指令，通常意味著Barrier 之前的指令一定在在 Barrier 之后的指令之前執行。
C11以枚舉的方式定義了如下內存順序：
enum memory_order {
memory_order_relaxed,
memory_order_consume,
memory_order_acquire,
memory_order_release,
memory_order_acq_rel,
memory_order_seq_cst
};
memory_order_relaxed：只保證當前操作的原子性，沒有同步語義，不考慮線程間的同步，對其他線程的讀寫沒有順序約束，其他線程可能讀到新值，也可能讀到舊值；同一線程內執行指令的順序可能不同。
memory_order_release： 修飾寫入操作（store），表示在本線程中，在這個語句前的讀寫操作不能重排到這個語句的后面。當前線程的所有寫入操作對其他線程就是可見的，表示當前線程對非局部變量的寫入，其他線程都是可以獲取到的。
memory_order_acquire：修飾讀取操作（load），表示在本線程中，在這個語句后的讀寫操作不能重排到這個語句的前面。所有其他線程的寫入操作，對本線程是可見的。
Release-Acquire ordering：memory_order_release和memory_order_acquire往往是配對使用。如果線程A針對一個原子對象進行memory_order_release的store操作，線程B針對這個原子對象進行memory_order_acquire的load操作，那么線程A中發生在store之前的所有的內存寫入（relaxed原子的或者非原子的），都是對線程B執行load后可見的。
這種同步是建立在不同線程針對同一個原子對象做 releasing store和 acquiring load操作之上的。
memory_order_consume：修飾讀取操作（load），表示在本線程中，在這個語句后并且依賴這個原子變量的讀寫操作不能重排到load這個語句的前面。所有其他線程被使用來完成store操作的變量內存的寫入，對本線程是可見的。
memory_order_consume比memory_order_acquire約束更小，只影響和這個原子對象相關的內存讀寫重排。
memory_order_acq_rel：修飾讀取-修改-寫入操作，表示該操作既是一個acquire操作也是一個release操作。在當前線程中，寫入操作的前后內存讀寫都不可以重排。其他所有線程針對該原子對象的release操作的內存寫入，在本線程改變修改操作之前是可見的；對于內存的修改，其他線程在acquire該原子對象前是可見的。
memory_order_seq_cst：這個是memory_order_release，memory_order_acquire和memory_order_acq_rel的綜合，約束更強。
讀取就是 acquire 語義，如果是寫入就是 release 語義，如果是讀取+寫入就是 acquire-release 語義。
同時會對所有使用此 memory order 的原子操作進行同步，所有線程看到的內存操作的順序都是一樣的，就像單個線程在執行所有線程的指令一樣。
本文參考鏈接：
1. Atomic operations library
2. 內存順序（Memory Order）
3. C++11中的內存模型下篇 - C++11支持的幾種內存模型
4. 如何理解 C++11 的六種 memory order
5. C++ memory order循序漸進（四）—— 在std::atomic_thread_fence 上應用std::memory_order實現不同的內存序
