使用宽松原子操作的比较并交换（Compare-and-Swap）问题

示例代码 #

void foo(atomic<int> &x) {
    int i = 0;
    bool success = x.compare_exchange_strong(i, i + 2, memory_order_relaxed, memory_order_relaxed);
    assert(!success);
}

void bar(atomic<int> &x) {
    x.store(1, memory_order_relaxed);
}

int main() {
    atomic<int> x = 0;
    auto bar_thread = thread(bar, std::ref(x));
    sleep(1);
    auto foo_thread = thread(foo, std::ref(x));
    sleep(1);
    foo_thread.join();
    bar_thread.join();
}

问题描述 #

尽管代码中使用了sleep，但线程仍可能交错执行，不过可假设本示例中bar线程在foo线程执行前已完成。请问此场景下能否保证assert永远不触发？

我的理解是：x.store(1, memory_order_relaxed)虽是原子操作，但写入内容可能无法立即被其他线程感知，除非搭配acquire-release或顺序一致性内存顺序。我为compare_exchange_strong的失败参数传入memory_order_relaxed，理论上它可能读取x的初始值0，但实际assert从未触发（我知道这不代表必然结果）。

想请教：无论传入何种内存顺序，compare_exchange_strong最终都会与最后一次写入同步吗？我猜测x的初始值以memory_order_relaxed读取，仅当值与expected相等时，才执行更耗时的比较交换操作？

解答 #

结论 #

在假设bar线程完全在foo线程执行前完成的前提下，能保证assert永远不会触发。

关键解释 #

• 原子操作的最终可见性：哪怕是memory_order_relaxed内存顺序，原子操作的核心特性是全局可见性的最终一致性。只要一个线程的原子写入操作完全完成，其他线程后续对该原子变量的任何原子读取（包括compare_exchange_strong中的读取动作）最终一定会看到这个写入值，不会永久停留在旧值。你提到的"无法立即感知"只是指relaxed不保证跨线程操作的顺序性，但不代表写入会永远不可见。
• compare_exchange_strong的原子性逻辑：该操作是原子性地完成"读取当前值→与expected比较→条件写入"的整个流程，不存在先读取旧值再用旧值执行后续比较的情况。在本场景中，foo线程启动时bar的写入已经完成，compare_exchange_strong读取到的x值必然是1，和expected的0不相等，因此返回false，assert不会触发。
• 内存顺序参数的作用：内存顺序影响的是跨线程操作之间的同步关系（比如是否让其他内存操作的可见性随之同步），但不会改变原子操作本身对目标变量的读写原子性，也不会阻止已完成的原子写入被后续原子读取看到。无论使用哪种内存顺序，只要bar的写入完全先于foo的操作，foo就能读到bar写入的1。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者petabyte