不太懂 std::atomic::compare_exchange_weak 和 compare_exchange_strong 的逻辑

如何解决不太懂 std::atomic::compare_exchange_weak 和 compare_exchange_strong 的逻辑

我已阅读https://en.cppreference.com/w/cpp/atomic/atomic/compare_exchange

以原子方式比较对象表示（直到 C++20）值 *this 的表示 (C++20 起) 与预期的表示，如果这些是按位相等的，用所需的替换前者（执行读-修改-写操作）。否则，加载存储的实际值在 *this 进入预期（执行加载操作）。

据我所知，代码如下

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

在循环运行一次后（忽略虚假失败）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 没有被更改为真。但这一切有什么意义呢？我想我可以用它作为同步锁，等待其他线程更改 b，但现在我想不出它的用法。

来自 cppreference 的示例还表明，在两次调用之后 compare_exchange_strong 会成功。

#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

解决方法

我将举一个我使用过的例子，因为它非常简单。

我有 atomic 描述某物的可用大小。有整数溢出的危险，所以我在减去一个值之前先做检查。

不完全复制粘贴我的生产代码：

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;
};

现在尝试在没有 compare_exchange_strong 并且没有竞争条件的情况下进行图像处理。

有一个条件满足的变化，但是当在原子上进行减法时，其他线程已经减去了一个值，所以当我进行实际减法时，可能会溢出整数。因此，如果没有 compare_exchange_strong，这将无法完成。

现在很难解释 compare_exchange_strong 和 compare_exchange_weak 之间的区别。甚至 Herb Sutter 在一些 cppcon 演讲中也放弃了解释，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”。

std::atomic::compare_exchange_weak 以线程感知方式执行此英语任务：

因为变量包含 expected，它现在应该包含 desired。

作为一项微不足道的任务，想象一下您的 std::atomic<int> x 的值应该是平方。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，对其进行平方并将新值写回。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) );

此代码将自动替换 expected 为其平方除非值已更改。

如果值已更改，expected 现在会更新为新值，代码会再次尝试。