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C++中的CAS操作(Compare and Swap)是什么?(如何实现无锁同步)

冰火之心

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发布时间:2026-02-13 14:35:02

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来源于php中文网

原创

std::atomic_compare_exchange_weak允许伪失败,性能更优,常用于循环重试;std::atomic_compare_exchange_strong保证仅真实不匹配时失败,适用于单次尝试场景。

c++中的cas操作(compare and swap)是什么?(如何实现无锁同步)

什么是 std::atomic_compare_exchange_weakstd::atomic_compare_exchange_strong

它们是 C++ 标准库中实现 CAS 的两个核心函数,底层对应 CPU 的 cmpxchg 指令(x86)或类似原子指令(ARM 的 ldxr/stxr)。区别不在“强弱”字面意思,而在于**是否允许伪失败(spurious failure)**:weak 版本可能在值没变的情况下也返回 false,但通常生成更轻量的汇编;strong 版本保证只在值真实不匹配时才返回 false。

实际用法几乎总是在循环里配合 weak 使用——因为伪失败代价低,重试开销小;而 strong 更适合单次尝试、逻辑不允许重试的场景(比如某些状态机跃迁)。

  • 必须传入指针:expected 是引用,函数内部会按需更新它;别直接传字面量或临时变量
  • 返回值是 bool:true 表示交换成功(当前值 == expected 且已更新为 desired)
  • 如果失败,expected 被自动更新为当前内存值——这是你下一次循环的起点,别忽略它

CAS 循环为什么必须用 while 而不是 if

因为多线程环境下,从读取旧值到执行 CAS 这段时间,其他线程可能已经改过目标内存。单次 if 尝试必然漏掉竞争,导致数据覆盖或逻辑跳过。

典型错误是写成 “先读再判再换”,没包循环:

立即学习C++免费学习笔记(深入)”;

int old = atomic_var.load();
if (old == expected) {
    atomic_var.compare_exchange_strong(old, desired); // ❌ 早已失效
}

正确写法是让 expected 在循环内维持最新快照:

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int expected = atomic_var.load();
do {
    int desired = expected + 1;
} while (!atomic_var.compare_exchange_weak(expected, desired));
  • 注意:循环体里不能无条件改 desired,否则可能无限重试(比如基于 expected 做复杂计算,但 expected 每次都在变)
  • 避免在循环里做耗时操作(如 malloc、锁、IO),CAS 循环应尽量轻量
  • 极端高争用下,weak 可能反复伪失败,但现代 CPU 上概率极低;真遇到可切 strong 或加退避(如 std::this_thread::yield()

指针类型的 CAS 容易踩的坑:std::atomic<t></t> vs std::atomic<:shared_ptr>></:shared_ptr>

裸指针 CAS 看似简单,但极易引发 ABA 问题:指针值相同,但对象已被 delete + new 过,内容已非原物。例如链表节点被弹出又压入同一地址,CAS 误认为“没变”。

std::shared_ptr 的原子版本虽慢(涉及引用计数原子操作),但它靠控制块地址唯一性规避了大部分 ABA;而裸指针 CAS 必须手动加版本号(如 std::atomic<uintptr_t></uintptr_t>ptr | (version )。

  • std::atomic<t></t>compare_exchange 只比对指针值,不管指向内容
  • std::atomic<:shared_ptr>></:shared_ptr> 的 CAS 比对的是控制块地址,不是原始指针,所以更安全但有额外开销
  • 不要对 std::unique_ptr 做原子操作——它不可复制,标准库没提供原子特化

内存序(memory_order)选错会导致 CAS 失效

CAS 默认用 memory_order_seq_cst(最强序),安全但可能拖慢性能。若你清楚数据依赖关系,可降级——但一错就难调试。

常见组合:

  • 纯计数器累加:用 memory_order_relaxed 即可,只要求原子性,不要求顺序
  • 发布-订阅模式(如初始化后设 flag):CAS 成功时用 memory_order_release,读 flag 时用 memory_order_acquire
  • 绝对别在 CAS 失败分支里用比成功分支更强的内存序——这会破坏语义对称性

错误示例:compare_exchange_weak(expected, desired, memory_order_acquire, memory_order_relaxed) —— 失败路径用了 acquire,但没对应 store,属于未定义行为。

真正难的不是写对一个 CAS,而是确认整个无锁结构里所有共享访问都覆盖了正确的内存序、ABA 防护和重试逻辑。哪怕只漏一处,程序就可能在特定核数、特定调度下间歇性崩坏。

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