c++ - 我在 C++11 中使用 atomic_compare_exchange_strong 还是 atomic_exchange？

Question

我正在学习 C++ 原子性和多线程的基础知识。根据状态(运行/ sleep )，我要么必须运行一个函数(并将状态更新为运行)，要么什么都不做。

atomic_compare_exchange_strong 和 atomic_exchange 之间是否有任何区别，如下面的代码片段所示？这两种方法有任何副作用或陷阱吗？

std::atomic<State> state{State::sleeping};

for (int i = 0; i<4; i++)
{
    State expected{State::sleeping};
    //if (std::atomic_compare_exchange_strong(&state, &expected, State::running))
    if (state.compare_exchange_strong(expected, State::running))
    {
        cout << "running" << endl;
        continue;
    }

    cout << "sleeping" << endl;             
}

对比

std::atomic<State> state{State::sleeping};

for (int i = 0; i<4; i++)
{
    //if (std::atomic_exchange(&state, State::running) != State::running)
    if (state.exchange(State::running) == State::running)
    {
        cout << "running" << endl;
        continue;
    }

    cout << "sleeping" << endl;             
}

Answer 1

“交换”和“比较和交换”(CAS) 的语义完全不同，甚至独立于原子业务。交换是无条件的，CAS只是有条件地修改变量。

所以当你说 x.exchange(A) 时，x 现在无条件地拥有值 A。相比之下，当你说 old = B; x.compare_exchange(old, A);，然后 x 仅在其先前持有值 B 时才被赋予值 A , 但它没有被修改。

特别是，如果 x 已经处于状态 A，则 CAS 将失败，而无论如何交换都会继续。如果您认为状态 A 表示需要发生某些事情，而 B 处于空闲状态，那么 CAS 将允许系统在执行更多操作之前完成它正在做的任何事情工作，而交换只会丢弃地板上的任何当前状态。 (是的，你可以处理交换的返回值，也许在那一点上恢复工作，但这并不普遍适用。)

当然，这两种算法都有有效的用例。 Exchange 便宜得多，应在适用时使用。下面是两个典型的例子:

• 在头位置插入一个新节点到链表中。你先弄清楚当前的头部，然后设置新的节点指向当前的头部，然后更新头部。这需要是 CAS，因为如果当前头部仍然是您认为的那样，您只想更新头部。如果您在此处使用交换，您将放弃在此期间可能发生的任何其他更新。

• 获取自旋锁。这类似于您的代码示例。你只需要知道旧值是什么，而不用在意向锁字重复写入新值。所以你可以直接把“锁定”的值换进去，一旦你把之前“解锁”的值拿回来，你就进入了临界区。由于交换足以满足此操作，因此它比 CAS 更可取。