本文介绍 < atomic > 头文件中最简单的原子类型: atomic_flag。atomic_flag 一种简单的原子布尔类型，只支持两种操作，test-and-set 和 clear。
std::atomic_flag 构造函数
std::atomic_flag 构造函数如下：
- atomic_flag() noexcept = default;
- atomic_flag (const atomic_flag&T) = delete;
std::atomic_flag 只有默认构造函数，拷贝构造函数已被禁用，因此不能从其他的 std::atomic_flag 对象构造一个新的 std::atomic_flag 对象。
如果在初始化时没有明确使用 ATOMIC_FLAG_INIT初始化，那么新创建的 std::atomic_flag 对象的状态是未指定的（unspecified）（既没有被 set 也没有被 clear。），另外，atomic_flag不能被拷贝，也不能 move 赋值。
ATOMIC_FLAG_INIT: 如果某个 std::atomic_flag 对象使用该宏初始化，那么可以保证该 std::atomic_flag 对象在创建时处于 clear 状态。
下面先看一个简单的例子，main() 函数中创建了 10 个线程进行计数，率先完成计数任务的线程输出自己的 ID，后续完成计数任务的线程不会输出自身 ID：
#include <iostream> // std::cout
#include <atomic> // std::atomic, std::atomic_flag, ATOMIC_FLAG_INIT
#include <thread> // std::thread, std::this_thread::yield
#include <vector> // std::vector
std::atomic<bool> ready(false); // can be checked without being set
std::atomic_flag winner = ATOMIC_FLAG_INIT; // always set when checked
void count1m(int id)
{
while (!ready) {
std::this_thread::yield();
} // 等待主线程中设置 ready 为 true.
for (int i = 0; i < 1000000; ++i) {
} // 计数.
// 如果某个线程率先执行完上面的计数过程，则输出自己的 ID.
// 此后其他线程执行 test_and_set 是 if 语句判断为 false，
// 因此不会输出自身 ID.
if (!winner.test_and_set()) {
std::cout << "thread #" << id << " won!\n";
}
};
int main()
{
std::vector<std::thread> threads;
std::cout << "spawning 10 threads that count to 1 million...\n";
for (int i = 1; i <= 10; ++i)
threads.push_back(std::thread(count1m, i));
ready = true;
for (auto & th:threads)
th.join();
return 0;
}
std::atomic_flag::test_and_set 介绍
std::atomic_flag 的 test_and_set 函数原型如下：
bool test_and_set (memory_order sync = memory_order_seq_cst) volatile noexcept;
bool test_and_set (memory_order sync = memory_order_seq_cst) noexcept;
test_and_set() 函数检查 std::atomic_flag 标志，如果 std::atomic_flag 之前没有被设置过，则设置 std::atomic_flag 的标志，并返回先前该 std::atomic_flag 对象是否被设置过，如果之前 std::atomic_flag 对象已被设置，则返回 true，否则返回 false。
test-and-set 操作是原子的（因此 test-and-set 是原子 read-modify-write （RMW）操作）。
test_and_set 可以指定 Memory Order(后续的文章会详细介绍 C++11 的 Memory Order，此处为了完整性列出 test_and_set 参数 sync 的取值)，取值如下：
一个简单的例子：
#include <iostream> // std::cout
#include <atomic> // std::atomic_flag
#include <thread> // std::thread
#include <vector> // std::vector
#include <sstream> // std::stringstream
std::atomic_flag lock_stream = ATOMIC_FLAG_INIT;
std::stringstream stream;
void append_number(int x)
{
while (lock_stream.test_and_set()) {
}
stream << "thread #" << x << '\n';
lock_stream.clear();
}
int main()
{
std::vector<std::thread> threads;
for (int i = 1; i <= 10; ++i)
threads.push_back(std::thread(append_number, i));
for (auto & th:threads)
th.join();
std::cout << stream.str() << std::endl;;
return 0;
}
std::atomic_flag::clear() 介绍
除 std::atomic_flag 对象的标志位，即设置 atomic_flag 的值为 false。clear 函数原型如下：
void clear (memory_order sync = memory_order_seq_cst) volatile noexcept;
void clear (memory_order sync = memory_order_seq_cst) noexcept;
清除 std::atomic_flag 标志使得下一次调用 std::atomic_flag::test_and_set 返回 false。
std::atomic_flag::clear() 可以指定 Memory Order，取值如上表。
结合 std::atomic_flag::test_and_set() 和 std::atomic_flag::clear()，std::atomic_flag 对象可以当作一个简单的自旋锁使用，请看下例：
#include <thread>
#include <vector>
#include <iostream>
#include <atomic>
std::atomic_flag lock = ATOMIC_FLAG_INIT;
void f(int n)
{
for (int cnt = 0; cnt < 100; ++cnt) {
while (lock.test_and_set(std::memory_order_acquire)) // acquire lock
; // spin
std::cout << "Output from thread " << n << '\n';
lock.clear(std::memory_order_release); // release lock
}
}
int main()
{
std::vector<std::thread> v;
for (int n = 0; n < 10; ++n) {
v.emplace_back(f, n);
}
for (auto& t : v) {
t.join();
}
}
在上面的程序中，std::atomic_flag 对象 lock 的上锁操作可以理解为 lock.test_and_set(std::memory_order_acquire); ，解锁操作相当与 lock.clear(std::memory_order_release)。
在上锁的时候，如果 lock.test_and_set 返回 false，则表示上锁成功（此时 while 不会进入自旋状态），因为此前 lock 的标志位为 false(即没有线程对 lock 进行上锁操作)，但调用 test_and_set 后 lock 的标志位为 true，说明某一线程已经成功获得了 lock 锁。
如果在该线程解锁（即调用 lock.clear(std::memory_order_release)） 之前，另外一个线程也调用 lock.test_and_set(std::memory_order_acquire) 试图获得锁，则 test_and_set(std::memory_order_acquire) 返回 true，则 while 进入自旋状态。如果获得锁的线程解锁（即调用了 lock.clear(std::memory_order_release)）之后，某个线程试图调用 lock.test_and_set(std::memory_order_acquire) 并且返回 false，则 while 不会进入自旋，此时表明该线程成功地获得了锁。
按照上面的分析，我们知道在某种情况下 std::atomic_flag 对象可以当作一个简单的自旋锁使用。