使用std::atomic compare_exchange_strong出现竞态条件，求分析非线程安全原因

你的代码出现竞态条件的核心问题在于全局变量free是普通非原子类型，且被多个线程并发读写，具体拆解如下：

• std::atomic::compare_exchange_strong的第二个参数是引用类型（T& expected）：当CAS操作失败时，该函数会自动将expected的值更新为原子变量turn的当前值。
• 两个线程共享同一个全局普通变量free作为expected参数：当其中一个线程CAS失败时，会修改free的值；而另一个线程同时在读取或修改free，这就造成了非原子的并发读写，属于C++标准定义的未定义行为。

举个典型的混乱场景：

1. 线程1执行CAS时，free为0，CAS成功进入临界区；
2. 此时线程2执行CAS，读取free的0值尝试修改turn，但失败（因为turn此时是1）；
3. compare_exchange_strong会把线程2的free更新为turn的当前值1；
4. 线程1退出临界区时执行turn.store(free)，但此时free已经被线程2改成了1，导致turn被设置为1而非初始的0；
5. 后续两个线程的CAS逻辑彻底混乱，可能出现多个线程同时进入临界区，或某个线程永远无法获取执行权的情况。

另外补充：std::cout的输出操作本身并非线程安全，即使临界区逻辑正确，并发调用也可能导致输出内容错乱，但这是次要问题，核心矛盾还是free的非原子并发访问。

修复方案 #

最合理的修复是把free改为线程局部变量，让每个线程拥有独立的expected副本，避免互相干扰：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <atomic>
#include <sched.h>

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

void Work(int pid){
    thread_local int free = 0; // 每个线程独立维护自己的预期值
    while(true){
        if(turn.compare_exchange_strong(free, pid)){
            std::cout << "Thread " << pid << " is running on core " << sched_getcpu() << std::endl;
            turn.store(0); // 直接写回空闲标记，无需依赖free
        }
    }
}

int main(){
    std::thread t1 = std::thread(Work, 1);
    std::thread t2 = std::thread(Work, 2);
    t1.join();
    t2.join();
}

内容的提问来源于stack exchange，提问作者ssingla