【C/C++】无锁编程——compare_exchange_strong

原子操作之compare_exchange_strong

1 简介

std::atomic 类型提供的一个关键原子操作.
作用：

1. 实现无锁（lock-free）编程中的 比较并交换（Compare-and-Swap, CAS）。
2. 确保在多线程环境中安全地修改共享数据，避免竞态条件（race condition）。

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2 核心

1. 比较并交换：

   • 输入参数：
     • expected：期望的旧值（引用传递，操作后可能被修改）。
     • desired：希望设置的新值。
     • memory_order：内存序（可选，默认 std::memory_order_seq_cst）。
   • 操作逻辑：
     • 如果原子变量的当前值等于 expected，则将其设置为 desired，并返回 true。
     • 如果当前值不等于 expected，则将 expected 更新为当前值，并返回 false。

2. 原子性保证：

   • 整个操作是原子的，不会被其他线程中断。

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2 语法

bool compare_exchange_strong(
    T& expected, 
    T desired,
    std::memory_order order = std::memory_order_seq_cst
);

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3 与 compare_exchange_weak的区别

特性	compare_exchange_strong	compare_exchange_weak
伪失败	永远不会伪失败（总是严格的 CAS）	允许在某些平台返回伪失败（即使值匹配）
适用场景	需要确保操作成功的一次性场景	循环中重试的场景（如自旋锁）
性能	可能略低（需严格检查）	可能更高（允许硬件优化）
典型代码模式	单次检查（如无锁队列的精确条件）	循环重试（如 while (!weak(...))）

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4 使用场景示例

4.1 无锁计数器

std::atomic<int> counter{0};

void increment() {
    int old_val = counter.load();
    while (true) {
        int new_val = old_val + 1;
        if (counter.compare_exchange_strong(old_val, new_val)) {
            break; // 成功递增
        }
        // 失败时 old_val 已更新为当前值，继续重试
    }
}

4.2 线程安全栈（Treiber Stack）

template<typename T>
class LockFreeStack {
    struct Node {
        T data;
        Node* next;
    };
    std::atomic<Node*> head{nullptr};

public:
    void push(const T& value) {
        Node* new_node = new Node{value, head.load()};
        while (!head.compare_exchange_strong(new_node->next, new_node));
    }

    bool pop(T& value) {
        Node* old_head = head.load();
        while (old_head && 
               !head.compare_exchange_strong(old_head, old_head->next)) {}
        if (!old_head) return false;
        value = old_head->data;
        delete old_head;
        return true;
    }
};

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5 内存序（Memory Order）参数

compare_exchange_strong 接受以下内存序（控制操作的原子性和可见性）：

• std::memory_order_relaxed：无同步（仅保证原子性）。
• std::memory_order_acquire：当前线程的后续读操作必须在此操作后执行。
• std::memory_order_release：当前线程的前序写操作必须在此操作前完成。
• std::memory_order_acq_rel：结合 acquire 和 release。
• std::memory_order_seq_cst：全局顺序一致性（默认，性能最低）。

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6 关键注意事项

1. ABA 问题：

   • 如果 expected 值在操作期间被其他线程修改为其他值后又改回原值，compare_exchange_strong 会误认为值未变。
   • 解决方案：使用带版本号的原子变量（如 std::atomic>）或 hazard pointer。

2. 循环重试：

   • 在冲突激烈时，compare_exchange_strong 可能导致忙等待（busy-wait），需结合退避策略（如指数退避）。

3. 性能优化：

   • 在循环中使用 compare_exchange_weak 更高效（如自旋锁），而 compare_exchange_strong 适合单次检查。

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7 总结

compare_exchange_strong 是 C++ 无锁编程的核心工具，通过严格的 CAS 语义保证线程安全。使用时需结合内存序参数、循环重试机制，并警惕 ABA 问题。在需要精确条件判断时优先使用 strong 版本，而在循环中可优先使用 weak 版本以提升性能。