c++中如何使用std::atomic_compare_exchange_c++原子操作CAS用法【详解】

std::atomic_compare_exchange_weak/strong 是标准定义的底层自由函数，但日常应使用 std::atomic::compare_exchange_weak/strong 成员函数；不存在 std::atomic_compare_exchange_cxx。

直接说结论：std::atomic_compare_exchange_weak 和 std::atomic_compare_exchange_strong 是 c++ 原子 CAS 的实际入口函数，std::atomic::compare_exchange_weak/strong 成员函数才是日常该用的写法；裸调用自由函数版本几乎没理由 —— 它不自动推导内存序，且容易误传参数类型。

为什么不能直接用 std::atomic_compare_exchange_cxx 这种自由函数？

标准库中根本不存在叫 std::atomic_compare_exchange_cxx 的函数。你搜到的可能是拼写错误、过时资料，或把底层编译器内建函数（如 __atomic_compare_exchange_n）误当成了标准接口。C++ 标准只定义了两个自由函数：

• std::atomic_compare_exchange_weak
• std::atomic_compare_exchange_strong

但它们是为泛型算法设计的底层适配器，要求显式传入 std::atomic*、期望值指针、期望值本身、期望更新值、以及两套内存序 —— 容易出错，且和 std::atomic 对象的常规使用习惯脱节。

compare_exchange_weak 和 compare_exchange_strong 怎么选？

两者语义一致：比较当前值是否等于 expected，是则替换为 desired 并返回 true；否则将当前值写回 expected 并返回 false。关键差异在「失败行为」：

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• weak 版本允许「伪失败」（spurious failure）：即使值匹配，也可能返回 false。常见于 LL/SC 架构（ARM、RISC-V），代价低、性能好
• strong 版本保证：只要值匹配，就一定成功。x86 上二者汇编等价；但 ARM 上 strong 可能重试多次，开销略高

实践建议：

• 循环 CAS 场景（如无锁栈 push/pop）—— 用 weak，配合 do-while 循环即可
• 单次尝试、失败即放弃的逻辑（如初始化标志位）—— 用 strong，避免无谓重试

典型用法与易错点

必须注意：第二个参数是引用，且函数会修改它。这是最常踩的坑 —— 忘记取地址或传值导致编译失败或逻辑错误。

std::atomic counter{0}; int expected = 0; int desired = 1;  // ✅ 正确：expected 是引用，会被更新 if (counter.compare_exchange_strong(expected, desired)) {     // 成功：counter 从 0 → 1 } else {     // 失败：expected 已被设为 counter 当前值（比如 1）     // 此时 expected == 1，可继续用它重试 }  // ❌ 错误：传值，expected 不会被更新，下次 compare_exchange 还拿旧值比 // int expected = 0; // counter.compare_exchange_strong(expected, desired); // 编译不过（类型不匹配）  // ❌ 错误：取地址但没声明为引用，导致修改的是临时量 // counter.compare_exchange_strong(&expected, desired); // 编译不过（参数类型不对）

其他要点：

• 默认内存序是 std::memory_order_seq_cst，安全但有开销；高频场景可指定更弱的序，如 compare_exchange_weak(expected, desired, std::memory_order_acquire, std::memory_order_relaxed)
• 对 std::atomic 或指针类型，expected 类型必须严格匹配，不能隐式转换（例如不能用 nullptr 初始化 int* 引用）
• 自定义类型 T 要求是 trivially copyable，且 sizeof(T) 通常需 ≤ 指针大小（否则可能降级为锁实现）

CAS 看似简单，但 expected 的生命周期、内存序搭配、weak/strong 的循环结构，三者稍有错位就会导致死循环、ABA 问题或数据竞争 —— 尤其在多核弱一致性架构上，别只盯着函数名，得盯住变量怎么传、谁改了它、改完之后你还信不信它。