c++ - 为什么在 CAS 循环失败时首选 std::memory_order_relaxed ？

Question

说到实现CAS Loop使用 this link 中的 std::atomic、cppreference给出了以下push示例:

template<typename T>
class stack
{
    std::atomic<node<T>*> head;
 public:
    void push(const T& data)
    {
      node<T>* new_node = new node<T>(data);
      new_node->next = head.load(std::memory_order_relaxed);

      while(!head.compare_exchange_weak(new_node->next, new_node,
                                        std::memory_order_release,
                                        std::memory_order_relaxed /* Eh? */));
    }
};

现在，我不明白为什么 std::memory_order_relaxed 用于失败情况，因为据我所知，compare_exchange_weak(对于 -strong 但为了方便起见，我将使用弱版本)是失败时的加载操作，这意味着它使用 std::memory_order_release 从另一个线程中成功的 CAS 操作加载，因此它应该使用 std::memory_order_acquire 来与同步......？

while(!head.compare_exchange_weak(new_node->next, new_node,
                                  std::memory_order_release,
                                  std::memory_order_acquire /* There you go! */));

假设，如果“宽松负载”获得旧值之一，最终一次又一次失败，并在循环中停留额外的时间怎么办？

下面这张粗糙的图片是我的大脑卡住的地方。

Shouldn't a store from T2 be visible at T1? (by having synchronized-with relation with each other)

总结一下我的问题，

• 失败时为什么不使用 std::memory_order_acquire 而不是 std::memory_order_relaxed？
• 是什么让 std::memory_order_relaxed 足够？
• 失败时 std::memory_order_relaxed 是否意味着(可能)更多循环？
• 同样，失败时的 std::memory_order_acquire 是否意味着(可能)更少的循环？ (除了性能的缺点之外)

Answer 1

更严格的内存顺序用于防止数据争用，并且不应提高已经正确的程序的性能。在您提供的示例中替换 memory_order_relaxed与 memory_order_acquire不会解决任何数据竞争，只会降低性能。

为什么没有数据竞争？因为 while 循环仅适用于单个原子，无论使用的内存顺序如何，该原子始终是无数据争用的。

为什么memory_order_release那么在成功的情况下使用呢？示例中未示出，但假设头部的访问使用 memory_order_acquire ，例如:

T* stack::top() {
  auto h = head.load(std::memory_order_acquire);
  return h ? &h->value() : nullptr;
}

这个释放-获取序列在释放新头和另一个线程获取它之间创建同步关系。

<表类=“s-表”><标题>线程A线程B <正文>

st.push(42);

if (auto value = st.top()) {
  assert(*value == 42);
}

在上面的示例中，如果没有 release-acquire(如果使用 memory_order_relaxed )，断言可能会失败，因为线程 B 可能会看到未完全初始化的 node那head已经指向(编译器甚至可以在 node 中的设置 head 下面重新排序 push() 构造函数调用)。换句话说，将会出现数据竞争。