Выполняется ли оператор в C++, то есть инструкции, заканчивающиеся точкой с запятой ';', целиком в многопоточном контексте?

Есть ли риск гонки данных?

Да. На самом деле, причина, по которой вы не можете сделать это с *=, заключается в том, что это может заставить вас думать, что это не возможная гонка данных. Заставляя вас явно выполнять load и store, вы даете понять, что вы выполняете две операции.

Две последовательные атомарные операции не являются атомарными в целом.

Хотя num.store(num.load() * 10) все еще имеет состояние гонки, вы можете использовать atomic_compare_exchange , чтобы делать то, что хотите.

Общая идея использования операций сравнения и обмена (иногда называемых сравнением и обменом) заключается в том, что в псевдокоде

do {
     last-value-read = atomic-read-of-memory-location
     desired-value = last-value-read * 10
} while (atomic-compare-and-exchange(atomic-update-to=desired_value,
                                     only-if-memory-still=last-value-read));

(Некоторые API, например C++, упрощают задачу, обновляя переменную чтения последнего значения внутри операции сравнения и обмена, если содержимое памяти не соответствует входному значению, поэтому вы просто пересчитываете желаемое значение в цикле. ценить.)

С помощью этого подхода вы можете реализовать свои собственные, более сложные атомарные операции, даже реализовать такие вещи, как блокировки чтения-записи, где определенные биты атомарного значения представляют счетчики и логические флаги....

Я хотел бы добавить к существующим ответам, что

Есть ли риск гонки данных?

Нет, не в соответствии со стандартным определением C++ «гонки данных»:

[intro.races]/21

Выполнение программы содержит гонку данных, если она содержит два потенциально одновременных конфликтующих действия, по крайней мере одно из которых не является атомарным, и ни одно из них не происходит раньше другого, за исключением особого случая для обработчиков сигналов, описанного ниже. Любая такая гонка данных приводит к неопределенному поведению.

Ваша программа эквивалентна:

auto val = num.load() * 10;
// here you could have some more statements
num.store(val);

Итак, со стандартной точки зрения у вас нет гонки данных и неопределенного поведения. Однако,

после num.load(), но до num.store(), возможно ли, что другой поток уже обновил атомарный код?

Абсолютно да. И вы не можете быть уверены, каким будет окончательное значение вашего num после запуска N потоков. Но это не Неопределённое поведение, вы просто написали программу, которая ведет себя недетерминированным образом.

«Гонка данных» — это не то же самое, что «состояние гонки». Первое — это особый вид UB, который может произойти при доступе к неатомарным переменным из разных потоков. Последнее является общим словом для обозначения ошибок многопоточности.

В вашем коде нет гонки данных UB. У него есть состояние гонки (вы можете получить неправильное число, если другой поток изменит переменную между двумя операциями).

Чтобы четко ответить на одну часть вопроса, которая является распространенным заблуждением:

Наличие нескольких операций в одном операторе не приводит к их атомарному выполнению.

Если бы это было так, вы бы смогли создавать сколь угодно сложные атомарные операции, включающие любое количество объектов (например, с помощью оператора запятой). Но настоящие машины не имеют возможности выполнить такую ​​задачу. Обычно они предоставляют очень ограниченный набор атомарных операций без блокировок, которые действуют только на один объект, а атомарные функции-члены чтения-изменения-записи std::atomic<T> предоставляют способ их использования.

C++ хорош в предоставлении программистам возможностей аппаратного обеспечения достаточно переносимым способом, но он не является волшебством и не может делать то, на что базовое оборудование еще не способно.