关于使用原子布尔类型的 compare_exchange_swap 的问题

Question

这里引用了本次 CppCon 讲座中 37:00 的幻灯片：https://youtu.be/DS2m7T6NKZQ

虽然演示者正在谈论 compare_exchange_swap_strong 和 compare_exchange_swap_weak 在虚假故障情况下的区别，但提供以下代码作为示例用例。这个问题可能有点无聊，因为它并不是真正的主要话题，但我试图更好地理解无锁算法。

bool expected = false;
extern atomic_bool b; // set somewhere else
while(!b.compare_exchange_weak(expected, true) && !expected);

我不明白 compare exchange swap 这里的用例。如果当我们进入 while 循环时原子布尔值 b 为假，compare_exchange_swap_weak 将返回真并设置 b 为真，然后我们跳出 while 循环（假设 cas_weak 在这里没有虚假地失败）。

如果我们进入 while 循环时原子布尔 b 为真，则 compare_exchange_swap_weak 将返回 false 并将 expected 设置为 true。然后 !expected 将为 false，我们跳出 while 循环。

但是，如果当我们进入 while 循环时 b 的值为 false，并且 cas 操作确实失败了，那么我们继续循环。

所以看起来这段代码的目的是将 b 的值设置为 true，如果它以 lock_free 方式为 false。除非我误解了什么，否则我们不能在实践中做类似 b.store(true) 的事情吗？

Answer 1

我认为这是一个

try_lock()

函数，其中

b

是自旋锁。获取锁后退出，或在一次非虚假故障后退出。或者它是

compare_exchange_strong

的仿真（在这种情况下你应该使用它。）

为了塞进幻灯片而简化/压缩；在实际情况下，您可能会使用不同的代码来更轻松、更清楚地区分成功与非虚假失败！但我认为在这段代码中，我们可以返回

!expected

作为锁定成功状态。

 extern atomic_bool b; // set somewhere else 

  bool expected = false;
  while(!b.compare_exchange_weak(expected, true) && !expected);

三种情况是：

• CAS 成功，循环退出而不检查

  expected

  的值。

  while(false && ...)

  .
  这是成功获得循环的所有权，我们可以进入临界区。
• CAS 失败，

  expected = true

  。循环退出；

  while(!false && !true);

  
  这是非虚假故障：CAS 将

  false

  以外的值视为

  b

  的当前值。
• CAS 失败，

  expected = false

  。循环不断循环；

  while(!false && !false);

  
  这是虚假的失败：继续重试（使用

  expected = false

  ）直到出现上述任一情况。

循环因为第二个条件只能在

expected = false

的时候一直循环下去，这也避免了做一个

CAS(true,true)

而另一个线程持有锁时“成功”的问题。您不能将此循环用于一个普通的

lock()

函数，该函数一直旋转直到获得锁定（没有

!expected

检查）；您必须在

expected = false

循环中重置

do{}while()

。

---

b = true;

的无条件存储不会告诉我们有关旧状态的信息。 我们可以使用

tmp = b.exchange(true)

.

.exchange()

还需要 asm 循环用于 LL/SC 机器（

CAS_weak

与

CAS_strong

不同的相同机器），并且它是无条件存储。

.fetch_add

和所有其他 RMW 原子也是如此。

compare_exchange_weak

存在的原因是CAS本身经常用于重试循环，例如合成任意原子 RMW 操作，如原子右移。如果您 are 打算在 CAS 失败时重试循环，那么它是否是虚假的并不重要，因此使用 CAS_weak 可以让编译器生成更简单的代码。

但是如果您只想进行一次 CAS 尝试，例如在某些算法中，例如

try_lock()

或各种其他情况，您应该使用

compare_exchange_strong

而不是编写自己的循环。