>> 1. Но нельзя ли просто пользоваться lock-free структурами/объектами и писать код, словно однопоточный?

Многопоточность нужно учитывать в любом случае. Хотя бы потому, что в C/C++ нужна явная декомпозиция процесса на потоки.

Как я понял, lock-free это некое лукавство.
Вместо mutex на входе в метод, он (метод) разбивается на множество фрагментов с синхронизацией на уровне некоторых потокобезопасных команд микропроцессора.
Не факт, что любая аппаратная платформа покажет прибавку в производительности. Возможен даже обратный эффект. Из-за злоупотребления потокобезопасными командами МП и из-за сложности самого кода производительность может ухудшиться.

>> 2. Какие типы являются атомарными и потокобезопасными безо всяких std::atomic_что_то_там?

Зависит от библиотеки. Понятно, что Mutex. Вообще говоря для взаимодействия потоков используется не так много структур, поэтому делать потокобезопасными все типы нет смысла. Это негативно скажется на производительности и объеме кода.

>> 3. Верно ли утверждение, что lock-free код основывается лишь на атомарных типах и на встроенных свойствах работы с памятью и доступа к ней?

Лучше говорить об атомарных операциях. Одну и ту же память можно использовать по разному.

>>4. Какие именно свойства памяти помогают обеспечивать потокобезопасность?

Скорее это забота микропроцессора и/или арбитра шины доступа к памяти (и т.п. устройств, которые зависят от архитектуры ЭВМ). Эти устройства обеспечивают последовательный и атомарный доступ к памяти.

Так команда Intel x86 XCHG, грубо говоря, блокирует шину, таким образом на время операции обеспечивая монопольный доступ к памяти - чтение ячейки памяти и запись в нее нового значения.

scfВкратце: в многоядерных процессорах перед каждым ядром есть кеш, так что если одно ядро записало значение в переменную, то другое может не увидеть это изменение неопределенное количество времени. Если переменная длиннее одного байта, то другой процессор может вообще увидеть только часть. Всё усугубляется тем, что некоторые процессоры могут переставлять инструкции местами, синхронизировать кеш кусками и делать много других прикольных вещей для ускорения работы. Для синхронизации используется прямая запись минуя кэш ядра. В современных МП используется многоуровневое кэширование. Какие байты? Процессоры давно оперируют 64битными словами. Но чтение и запись памяти это разные операции. Между ними может вклинится другая операция чтения или записи, если процессор не предпринял специальных действий для монополизации доступа, если не ко всей памяти, то хотя бы к странице.