不要真正理解 std::atomic::compare_exchange_weak 和 compare_exchange_strong 的逻辑

Question

我读过https://en.cppreference.com/w/cpp/atomic/atomic/compare_exchange

原子地比较 *this 的 object 表示（C++20 前）值表示（C++20 起）与预期的，如果它们按位相等，则将前者替换为所需的（执行读-修改-写操作）。 否则，将存储在 *this 中的实际值加载到预期中（执行加载操作）。

所以我理解的代码就像

bool expected=true;
extern atomic<bool> b = false; 
void foo ()
{
//
    while(!b.compare_exchange_weak(expected, false));
//
}

在循环运行一次（忽略虚假失败）之后，它将失败，并将写入预期的false ，因此在第二次迭代中 compare_exchange_weak 将返回成功，尽管b尚未更改为 true。 但这一切的意义何在？ 我虽然可以将它用作同步锁，等待其他线程更改b ，但现在我想不出这个的用法。

cppreference 中的示例还显示，在两次调用之后 compare_exchange_strong 将成功。

#include <atomic>
#include <iostream>
 
std::atomic<int>  ai;
 
int  tst_val= 4;
int  new_val= 5;
bool exchanged= false;
 
void valsout()
{
    std::cout << "ai= " << ai
          << "  tst_val= " << tst_val
          << "  new_val= " << new_val
          << "  exchanged= " << std::boolalpha << exchanged
          << "\n";
}
 
int main()
{
    ai= 3;
    valsout();
 
    // tst_val != ai   ==>  tst_val is modified
    exchanged= ai.compare_exchange_strong( tst_val, new_val );
    valsout();
 
    // tst_val == ai   ==>  ai is modified
    exchanged= ai.compare_exchange_strong( tst_val, new_val );
    valsout();
}

结果：

ai= 3  tst_val= 4  new_val= 5  exchanged= false
ai= 3  tst_val= 3  new_val= 5  exchanged= false
ai= 5  tst_val= 3  new_val= 5  exchanged= true

Answer 1

我将举一个我确实使用过的例子，因为它非常简单。

我有 atomic ，它描述了某些东西的可用大小。 integer 存在溢出的危险，所以我在减去一个值之前先进行检查。

不是我的生产代码的精确复制粘贴：

class LockFreeCuncuretSizeLimit {
public:
    explicit LockFreeCuncuretSizeLimit(size_t available) : mSize{available}
    {}

    bool tryAcuqire(size_t s) {
        size_t lastSize = mSize;
        size_t newSize;
        do
        {
            if (lastSize >= s)
            {
                newSize = lastSize - s;
            }
            else
            {
                return false;
            }

        }
        while (!mSize.compare_exchange_weak(lastSize, newSize));
        return true;
    }

    void release(size_t s) {
        mSize += s; // here I do not have worry about integer overflow
    }
private:
    std::atomic<size_t> mSize;
};

现在尝试 image 在没有compare_exchange_strong并且没有竞争条件的情况下执行此操作。

有一个条件满足的变化，但是当在原子上进行减法时，其他一些线程已经减去了一个值，所以当我进行实际减法时，可能会溢出 integer。 因此，如果没有compare_exchange_strong就无法做到这一点。

现在compare_exchange_strong和compare_exchange_weak之间的区别很难解释。 甚至 Herb Sutter 在一些 cppcon 谈话中也放弃了解释，并提供了简单的规则：“如果你需要循环使用compare_exchange_weak否则使用compare_exchange_strong ”。

Answer 2

std::atomic::compare_exchange_weak以线程感知的方式执行这个英语任务：

因为变量保持expected ，它现在应该保持desired 。

作为一项微不足道的任务，想象你的std::atomic<int> x的值应该是平方的。 但是其他线程可能正在修改它，因此您不能简单地读取该值，将其平方并写回新值。 可能已经变了！

这是执行此任务的线程安全方式。 您可以保证存储的值将替换为其平方。

int expected = x;
while( !x.compare_exchange_weak(expected, expected*expected) );

除非值已更改，否则此代码将自动用其平方替换expected 。

如果值已更改，则现在使用新值更新expected ，并且代码会再次尝试。