compare_exchange_weak功能

compare_exchange_weak 是 C++ 标准库 <atomic> 中 std::atomic 类的一个成员函数，用于执行原子的比较和交换（Compare-And-Swap，CAS）操作。该操作是无锁编程中的核心操作之一，在多线程环境下保证数据的原子性更新，避免使用传统锁机制带来的性能开销。

功能概述

compare_exchange_weak 函数会将原子变量的当前值与一个期望值进行比较，如果两者相等，则将原子变量的值更新为指定的新值；如果不相等，则将期望值更新为原子变量的当前值。该函数可能会出现伪失败的情况，即即使原子变量的当前值与期望值相等，操作也可能返回 false，但这并不影响其在循环中重试以达到最终的更新目的。

函数原型

bool compare_exchange_weak( T& expected, T desired,
                            std::memory_order success,
                            std::memory_order failure );

参数解释

• expected：一个引用，指向存储期望值的变量。如果比较操作成功，原子变量会被更新为 desired；如果失败，expected 会被更新为原子变量的当前值。
• desired：当原子变量的当前值等于 expected 时，要赋给原子变量的新值。
• success：std::memory_order 类型的值，指定当比较和交换操作成功时所使用的内存序。内存序决定了原子操作在不同线程之间的可见性和顺序关系。
• failure：std::memory_order 类型的值，指定当比较和交换操作失败时所使用的内存序。

期望值更新的作用

当比较和交换操作失败时，compare_exchange_weak 会将期望值更新为原子变量的当前值。这一设计非常有用，因为它允许调用者在操作失败后立即获取到原子变量的最新值，从而可以根据这个新值来决定下一步的操作，例如继续重试或者采取其他策略。在循环重试的场景中，更新期望值可以确保下一次比较和交换操作是基于最新的值进行的，避免了不必要的错误。

返回值

• true：表示比较和交换操作成功，原子变量的值已被更新为 desired。
• false：表示比较和交换操作失败，expected 已被更新为原子变量的当前值。

示例代码

#include <iostream>
#include <atomic>
#include <thread>

std::atomic<int> atomicValue(0);

void increment() {
    int expected = 0;
    int newVal = 1;
    while (!atomicValue.compare_exchange_weak(expected, newVal)) {
        // 处理失败情况，更新 expected 的值
        expected = atomicValue.load();
    }
    std::cout << "Value updated successfully." << std::endl;
}

int main() {
    std::thread t(increment);
    t.join();
    std::cout << "Final value: " << atomicValue.load() << std::endl;
    return 0;
}

代码解释

• 在 increment 函数中，使用 compare_exchange_weak 函数尝试将 atomicValue 的值从 expected（初始值为 0）更新为 newVal（值为 1）。
• 如果操作失败，expected 会被更新为 atomicValue 的当前值，然后在循环中继续尝试，直到操作成功。
• 最终输出更新后的 atomicValue 的值。

使用场景

compare_exchange_weak 常用于无锁数据结构（如无锁队列、无锁栈等）的实现，以及需要高效并发更新共享数据的场景。由于其可能出现伪失败，通常需要在循环中使用，以确保最终的更新操作成功。与 compare_exchange_strong 相比，compare_exchange_weak 在某些硬件平台上性能更高，因为它的实现更接近硬件的原子操作。