c++原子操作中compare_exchange_weak和compare_exchange_strong的MSVC与GCC源码和用法说明

这两个函数都属于 原子操作的cas操作也就是Compare-and-swap操作，经常在无锁并行或并发结构中用到。以compare_exchange_strong为例子来做个基本的使用说明：

int              tst_val = 4;
int              new_val = 5;
std::atomic atomic_0 = 3;


auto exchanged = atomic_0.compare_exchange_strong(tst_val, new_val);
/*
上面这句代码执行后, 各个相关变量中的值如下：

atomic_0 = 3,  tst_val = 3,  new_val = 5,  exchanged = false

由于atomic_0 和 tst_val两个变量实际内存中的值不相等，所以atomic_0的值依旧是3并没有被设置为new_val的值5, atomic_0的值依旧是3。atomic_0.compare_exchange_strong(...)函数的返回值是false。但是，这句代码执行之后，tst_val的内存值被设置为atomic_0原子变量的内存值3。相当于执行了把atomic_0变量内存中的值载入到tst_val变量中的载入操作。
*/

auto exchanged = atomic_0.compare_exchange_strong(tst_val, new_val);
/*
上面这句代码执行后, 各个相关变量中的值如下：

atomic_0 = 5,  tst_val = 3,  new_val = 5,  exchanged = true

由于atomic_0 和 tst_val两个变量实际内存中的值相等，所以atomic_0的值被设置为new_val的值5。atomic_0.compare_exchange_strong(...)函数的返回值是true。注意，这句代码执行之后，tst_val的内存值没有变。相当于执行了将new_val内存中的值存储到atomic_0变量内存中的设置操作。
*/

compare_exchange_weak和compare_exchange_strong用法一样，只不过由于在某些弱内存顺序的CPU架构下compare_exchange_weak执行会正常反馈出伪失败。也正因为如此，实际不考虑特别的性能以及考虑到兼容性，用compare_exchange_weak就行了。反正一般的无锁并行或者并发数据结构实现中都是将compare_exchange_weak放在一个while循环里面循环调用的，如下所示：

while (!atomic_var.compare_exchange_weak(old_value, new_value))
{
    // ...
}

当然，你用compare_exchange_strong也可以，但是，很显然 compare_exchange_weak 已经够用了，反正都有循环检测，理论上性能还会更好(为何说理论上，后面看看各系统的实现就能知道)。

备注：

        1. 例如ARM 、 Itanium 、 Power PC这些CPU架构就是弱内存顺序的而Inter x86就是强内存顺序架构。它们的内存操作顺序需要借助内存栅栏来控制。细节请见：std::memory_order - cppreference.com

        2. 基于上面的代码说明， 即便atomic_0 和 tst_val两个变量实际内存中的值相等，函数的返回值也是false。这就是伪失败，这时候一句代码搞不定，就需要循环调用才能拿到正确的结果。

看看源码，更清晰。

先看LInux GCC的代码实现。

_GLIBCXX_ALWAYS_INLINE bool
compare_exchange_weak(__int_type& __i1, __int_type __i2,
			    memory_order __m1,
			    memory_order __m2) volatile noexcept
{
__glibcxx_assert(__is_valid_cmpexch_failure_order(__m2));

return __atomic_compare_exchange_n(&_M_i, &__i1, __i2, 1, int(__m1), int(__m2));
}

_GLIBCXX_ALWAYS_INLINE bool
compare_exchange_strong(__int_type& __i1, __int_type __i2,
			      memory_order __m1, memory_order __m2) noexcept
{
__glibcxx_assert(__is_valid_cmpexch_failure_order(__m2));

return __atomic_compare_exchange_n(&_M_i, &__i1, __i2, 0, int(__m1), int(__m2));
}

gcc是通过系统内置的 __atomic_compare_exchange_n 函数来实现compare_exchange_weak和compare_exchange_strong功能。__atomic_compare_exchange_n 函数定义如下:

bool __atomic_compare_exchange_n (type *ptr, type *expected, type desired, bool weak, int success_memorder, int failure_memorder)

由第四个bool类型的参数 weak，来确定是实际执行strong还是weak操作。细节请见：__atomic Builtins (Using the GNU Compiler Collection (GCC))

再来看看Windows MSVC 的代码实现

bool compare_exchange_strong(_TVal& _Expected, const _TVal _Desired,
    const memory_order _Order = memory_order_seq_cst) noexcept { // CAS with given memory order
    long _Expected_bytes = _Atomic_reinterpret_as(_Expected); // read before atomic operation
    long _Prev_bytes;
    _ATOMIC_CHOOSE_INTRINSIC(_Order, _Prev_bytes, _InterlockedCompareExchange, _Atomic_address_as(_Storage),
        _Atomic_reinterpret_as(_Desired), _Expected_bytes);
    if (_Prev_bytes == _Expected_bytes) {
        return true;
    }
    _CSTD memcpy(_STD addressof(_Expected), &_Prev_bytes, sizeof(_TVal));
    return false;
}
bool compare_exchange_weak(_Ty& _Expected, const _Ty _Desired, const memory_order _Success,
    const memory_order _Failure) volatile noexcept {
    static_assert(_Deprecate_non_lock_free_volatile<_Ty>, "Never fails");
    return this->compare_exchange_strong(_Expected, _Desired, _Combine_cas_memory_orders(_Success, _Failure));
}
bool compare_exchange_strong(_Ty& _Expected, const _Ty _Desired, const memory_order _Success,
    const memory_order _Failure) volatile noexcept {
    static_assert(_Deprecate_non_lock_free_volatile<_Ty>, "Never fails");
    return this->compare_exchange_strong(_Expected, _Desired, _Combine_cas_memory_orders(_Success, _Failure));
}

MSVC 中compare_exchange_weak和compare_exchange_strong的实现，更狠。直接就compare_exchange_weak调用了ompare_exchange_strong，而ompare_exchange_strong调用_InterlockedCompareExchange这个系统内置API，这个api实现如下：

__MACHINE(long __MACHINECALL_CDECL_OR_DEFAULT _InterlockedCompareExchange(long volatile * _Destination, long _Exchange, long _Comparand))

什么weak、strong，不重要了。可能是因为Windows系统程序就是Intel架构系的吧。这也是上面有"理论上"三个字。

还有些细节，可以这位大神的文章：c++并发编程3. CAS原语 - 知乎 这里就不赘述了。