浅析std::atomic＜T＞::compare_exchange_weak和std::atomic＜T＞::compare_exchange_strong

目录

std::atomic ::compare_exchange_weak 和 std::atomic ::compare_exchange_strong 

核心原理

函数签名

核心区别

典型用法

1. compare_exchange_weak（循环内重试）

2. compare_exchange_strong（单次尝试）

底层机制

总结

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std::atomic<T>::compare_exchange_weak 和 std::atomic<T>::compare_exchange_strong 

核心原理

这两个函数都是 原子比较-交换（Compare-and-Swap, CAS） 操作，属于无锁编程的基础操作。其伪代码逻辑如下：

bool compare_exchange(T& expected, T desired) {if (atomic_value == expected) {atomic_value = desired;  // 交换成功return true;} else {expected = atomic_value;  // 更新 expected 为当前值return false;}
}

关键点：整个操作是原子的（不可中断），用于实现无锁数据结构（如队列、栈）。

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函数签名

bool compare_exchange_weak(T& expected, T desired, memory_order success = memory_order_seq_cst,memory_order failure = memory_order_seq_cst);bool compare_exchange_strong(T& expected, T desired,memory_order success = memory_order_seq_cst,memory_order failure = memory_order_seq_cst);

• expected：传入期望值，失败时会被更新为原子变量的当前值。

• desired：交换成功时设置的目标值。

• 内存序：success（成功时的内存序）和 failure（失败时的内存序）。

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核心区别

特性	compare_exchange_weak	compare_exchange_strong
虚假失败	可能（即使值相等也返回 false）	不可能（仅在值不相等时失败）
性能	更高（某些平台减少重试开销）	稍低（保证严格比较）
适用场景	循环内重试（如自旋锁）	单次尝试或无循环场景
硬件依赖	在 ARM/PowerPC 等平台可能虚假失败	所有平台行为一致

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典型用法

1. compare_exchange_weak（循环内重试）

std::atomic<int> val(10);
int expected = val.load();  // 获取当前值do {int desired = expected * 2;  // 计算新值// 弱版本允许虚假失败，需配合循环
} while (!val.compare_exchange_weak(expected, desired));

• 适用场景：自旋锁、无锁队列等需反复重试的操作。

2. compare_exchange_strong（单次尝试）

std::atomic<bool> flag(false);
bool expected = false;// 仅尝试一次，强版本保证无虚假失败
if (flag.compare_exchange_strong(expected, true)) {// 成功获取锁
} else {// 已被其他线程修改
}

• 适用场景：单次检查或无需重试的逻辑。

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底层机制

• 弱版本：
  某些硬件（如 ARM）的 CAS 操作可能因缓存一致性协议（如 MESI）或线程调度导致虚假失败，但硬件实现更高效。

• 强版本：
  在弱版本基础上封装循环，直到成功或真实失败：

bool compare_exchange_strong(...) {while (!compare_exchange_weak(...)) {if (atomic_value != expected) break;  // 真实失败退出}
}

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总结

场景	推荐函数
循环内重试（如自旋锁）	compare_exchange_weak
单次尝试或无循环逻辑	compare_exchange_strong
需最高性能（低竞争环境）	weak + 循环
需代码简洁性	strong（避免手动重试）

最佳实践：
在循环中优先使用 weak（如实现无锁栈/队列），非循环场景用 strong。例如：

// 无锁栈的 push 操作
void push(Node* new_node) {Node* old_head = head.load();do {new_node->next = old_head;} while (!head.compare_exchange_weak(old_head, new_node));
}