跟我学C++中级篇—标准库中的CAS接口分析
一、从无锁编程谈起
在前面的多线程编程时，提到过CAS这种无锁编程的情况。无锁编程的一个重要的前提是标准库中（其实系统底层也提供了类似的机制）的原子操作类型，它也是硬件基础的比较交换指令的向上延伸。而要想实现CAS，C++标准库中提供了两个接口函数，即compare_exchange_strong和 compare_exchange_weak。
也就是说，在不同的平台或不同的语言中，CAS的接口和实现机制是略有不同，这一点大家要明白。
二、强弱比较交换
compare_exchange_strong和 compare_exchange_weak，很好理解，从字面上讲，强比较交换是严格的比较，不会出现伪失败（spurious failure），性能稍差一些；而弱比较交换则相对宽容一些，有可能出现伪失败，但性能稍微强一些。从设计角度来看，这也非常必要的。不同的情况要有不同的方法来匹配而不能以一敌千，生拉硬配。二者的区别在于，强比较交换只有在比较真正不同的情况下才会失败，而弱比较交换则有可能在比较相同的情况也会失败。
先看一下在C++中的定义：
boolcompare_exchange_weak(T&expected,T desired,std::memory_order success,std::memory_order failure);这里有一个比较让英文一般人费解的地方，先看一下这个函数的意义：
- 比较当前的原子变量值是否等于预期值（由调用者提供）。
- 如果相等，则将原子变量的值设置为一个新的值（由调用者提供）。
- 如果不相等，则将当前的原子变量值写入预期值，并返回 false。
这里面有一个预期值，可在上面的参数中，expected和desired都是期望的意思，那上面的说法是不是有点让人费解，这两个变量哪个是描述中的预期值呢？在这个接口的说明中其实就可以看出来：
expected - pointer to the value expected to be found in the atomic object desired - the value to store in the atomic object if it is as expected而单纯从英文的含意来看，expected是一种客观的预测，一种合理的期望，即它是一种目标；而desired强调主观的愿望，是一种期望的结果。再和上面的英文一匹配就明白了，expected是调用者提供的期望值，而desired是符合预期情况下的存储结果。
虽然不同的平台有着细微的不同，但一般来说，软件层面上会对其进行“透明性”的屏蔽，不会被上层应用人员感知；另外一个就是硬件上，目前开发者接触的环境主要还是以X86平台为主。ARM主要在手机平台上，而这种情况下，用到CAS的机会要相当小。
在X86平台上，提供了CMPXCHG指令，这个指令是一种原子操作。所谓原子操作，就是必然会执行完成。那么这也意味着，在底层的实现机制上它们二者没有多大不同。大家这时会不会想起X86上的内存序，对，也是这样的问题。以X86平台上，基本可以不用考虑内存序（默认使用强内存序）的问题。这是不是说内存序也在影响着CAS指令呢？确实如此。常见的几种内存序与编译器及处理器性能优化对应的情况如下：
memory_order_seq_cst：全局顺序一致，要求最严，影响也最小 memory_order_acq_rel：获取-释放语义，要求一般，影响中等 memory_order_relaxed：仅保证原子性，要求最低，所以影响也最大在AMD平台上，由于采用了LL/SC（Load-Linked/Store-Conditional）机制而且其内存序也采用了弱内存序的情况，则由于指令处理机制的并行行为，有可能导致伪失败。也就是说，这是“胎里带”，再强大的软件也搞不定。
一般来说，在非循环或严格要求情况下，推荐使用compare_exchange_strong，反之则使用compare_exchange_weak。正常情况下，在X86平台上二者几乎没有区别，但如果是在ARM等平台上，则需要考虑伪失败的情况，出于性能考虑使用compare_exchange_weak。
三、伪失败和ABA以及活锁
在CAS中，经常遇到的ABA问题，在前面分析过（多核和多CPU编程——ABA的问题，有兴趣可回看）。另外就是活锁，这个在前面也详细分析过（死锁和活锁）。此处重点分析一下伪失败问题。所谓伪失败，spurious failure，就是没有失败。没有失败的情况下应该赋新值，但伪失败也被当成失败，那么就没有达到预想的结果即没有失败也当成了失败。伪失败是compare_exchange_weak的典型特征，用来和compare_exchange_strong显式的区分开（这玩意儿有点布隆过滤器的味道啊）。怎么来理解这种情况呢？其实很简单，就是老话“人有失手，马有失蹄”。
伪失败出现的原因在于：
- 硬件基础环境即上面提到的AMD这类LL/SC的架构平台，它们包括PowerPC、MIPS以及RISC_V等
- 软件上的缓存一致性问题，哪里都有它
- 中断等异常行为引起的陷阱行为
- 多线程访问冲突（类似于1中的上层软件映射）
其实从上面的分析可看出来，伪失败基本与硬件关系紧密。象这种X86平台的就不用在考虑了。
四、应用和例程
再看一下cppreference提供的例程：
#include<atomic>#include<iostream>std::atomic<int>ai;inttst_val=4;intnew_val=5;bool exchanged=false;voidvalsout(){std::cout<<"ai= "<<ai<<" tst_val= "<<tst_val<<" new_val= "<<new_val<<" exchanged= "<<std::boolalpha<<exchanged<<"\n";}intmain(){ai=3;valsout();// tst_val != ai ==> tst_val is modifiedexchanged=ai.compare_exchange_strong(tst_val,new_val);valsout();// tst_val == ai ==> ai is modifiedexchanged=ai.compare_exchange_strong(tst_val,new_val);valsout();return0;}运行结果：
ai= 3 tst_val= 4 new_val= 5 exchanged= false ai= 3 tst_val= 3 new_val= 5 exchanged= false ai= 5 tst_val= 3 new_val= 5 exchanged= true其实有兴趣的可以多看一下CAS相关的例程，这个在GITHUB和其它网站上有很多，这里就不再重复贴相关的代码了。
五、总结
一个技术从不同的角度去分析，会有全新的认知。正如盲人摸象，每个人都明白，哂然一笑。但其每个人在实际的工作特别是技术开发中，经常犯这种错误。而且随着阅历的增加和技术水平的不断深入和扩展，会明白自己的局限性。这也是哲学意义上的波浪式前进，螺旋式上升。