C++11：原子交换函数compare_exchange_weak和compare_exchange_strong

2023-05-16

我们知道在C++11中引入了mutex和方便优雅的lock_guard。但是有时候我们想要的是性能更高的无锁实现，下面我们来讨论C++11中新增的原子操作类Atomic，我们可以利用它巧妙地实现无锁同步。

CAS(Compare and Swap)是个原子操作，保证了如果需要更新的地址没有被他人改动多，那么它可以安全的写入。而这也是我们对于某个数据或者数据结构加锁要保护的内容，保证读写的一致性，不出现dirty data。现在几乎所有的CPU指令都支持CAS的原子操作。

Atomic

C++11给我们带来的Atomic一系列原子操作类，它们提供的方法能保证具有原子性。这些方法是不可再分的，获取这些变量的值时，永远获得修改前的值或修改后的值，不会获得修改过程中的中间数值。

这些类都禁用了拷贝构造函数，原因是原子读和原子写是2个独立原子操作，无法保证2个独立的操作加在一起仍然保证原子性。

atomic<T>提供了常见且容易理解的方法：

store
load
exchange
compare_exchange_weak
compare_exchange_strong

store是原子写操作，而load则是对应的原子读操作。

exchange允许2个数值进行交换，并保证整个过程是原子的。

而compare_exchange_weak和compare_exchange_strong则是著名的CAS（compare and set）。参数会要求在这里传入期待的数值和新的数值。它们对比变量的值和期待的值是否一致，如果是，则替换为用户指定的一个新的数值。如果不是，则将变量的值和期待的值交换。

compare_exchange_strong：atomic库中的一个函数，入参是3个，expect，desire，memoryorder，意思是如果当前的变
量this的值==expect值，则将this值改为desire，并返回true，否则，返回false，不进行修改，即进行一个读的操作。通常用于例如线程B等待线程A执行完毕，或者执行到某个步骤。此时线程B可以进行while等待，线程A在执行到对应步骤，将对应的原子变量置为expect值即可。类似于“接力运动”。这里由于会进行读写操作，所以，memory order一般是acq rel，而A线程由于要保证都执行完毕，执行顺序没有关系，所以一般是Release的memory order。

compare_exchange_weak和compare_exchange_strong

C++11中CAS实现：

template< class T>
struct atomic<T*>
{
public:
bool compare_exchange_weak( T& expected, T desired,
                            std::memory_order success,
                            std::memory_order failure );
bool compare_exchange_weak( T& expected, T desired,
                            std::memory_order success,
                            std::memory_order failure ) volatile;
bool compare_exchange_weak( T& expected, T desired,
                            std::memory_order order =
                                std::memory_order_seq_cst );
bool compare_exchange_weak( T& expected, T desired,
                            std::memory_order order =
                                std::memory_order_seq_cst ) volatile;
bool compare_exchange_strong( T& expected, T desired,
                              std::memory_order success,
                              std::memory_order failure );
bool compare_exchange_strong( T& expected, T desired,
                              std::memory_order success,
                              std::memory_order failure ) volatile;    
bool compare_exchange_strong( T& expected, T desired,
                              std::memory_order order =
                                  std::memory_order_seq_cst );
bool compare_exchange_strong( T& expected, T desired,
                              std::memory_order order =
                                  std::memory_order_seq_cst ) volatile;
...
};

当前值与期望值(expect)相等时，修改当前值为设定值(desired)，返回true
当前值与期望值(expect)不等时，将期望值(expect)修改为当前值，返回false

weak版和strong版的区别：
weak版本的CAS允许偶然出乎意料的返回（比如在字段值和期待值一样的时候却返回了false），不过在一些循环算法中，这是可以接受的。通常它比起strong有更高的性能。

实例：

在非并发条件下，要实现一个栈的Push操作，我们可能有如下操作：

1. 新建一个节点
2. 将该节点的next指针指向现有栈顶
3. 更新栈顶

但是在并发条件下，上述无保护的操作明显可能出现问题。下面举一个例子：

原栈顶为A。（此时栈状态: A->P->Q->...，我们约定从左到右第一个值为栈顶，P->Q代表p.next = Q）
线程1准备将B压栈。线程1执行完步骤2后被强占。（新建节点B，并使　B.next = A，即B->A）
线程2得到cpu时间片并完成将C压栈的操作，即完成步骤1、2、3。此时栈状态（此时栈状态: C->A->...）
这时线程1重新获得cpu时间片，执行步骤3。导致栈状态变为（此时栈状态: B->A->...）

结果线程2的操作丢失，这显然不是我们想要的结果。

那么我们如何解决这个问题呢？

只要保证步骤3更新栈顶时候，栈顶是我们在步骤2中获得顶栈顶即可。因为如果有其它线程进行操作，栈顶必然改变。

我们可以利用CAS轻松解决这个问题：如果栈顶是我们步骤2中获取顶栈顶，则执行步骤3。否则，自旋（即重新执行步骤2）。

 1 template<typename T>
 2 class lock_free_stack
 3 {
 4 private:
 5   struct node
 6   {
 7     T data;
 8     node* next;
 9 
10     node(T const& data_): 
11      data(data_)
12     {}
13   };
14 
15   std::atomic<node*> head;
16 public:
17   void push(T const& data)
18   {
19     node* const new_node=new node(data); 
20     new_node->next=head.load();  //如果head更新了，这条语句要春来一遍
21     while(!head.compare_exchange_weak(new_node->next,new_node));
22   }
23 };

我们可以注意到一个非常巧妙的设计。在push方法里，atomic_compare_exchange_weak如果失败，证明有其他线程更新了栈顶，而这个时候被其他线程更新的新栈顶值会被更新到new_node->next中，因此循环可以直接再次尝试压栈而无需由程序员更新new_node->next。

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