如何在C11中无锁实现比较与更新的原子操作？

现有两个线程执行以下代码：

_Atomic volatile uint64_t foo;

// 返回1表示更新了foo，返回0表示foo已经等于new值
int try_to_update_foo(uint64_t new_val) {
    if (foo < new_val) {
        foo = new_val;
        return 1;
    }
    return 0;
}

需求是将foo < new_val的比较与foo = new_val的赋值合并为原子操作：当两个线程尝试将foo更新为同一个新值时，其中一个必须返回1，另一个返回0（顺序无关），且不使用信号量/互斥锁。

可以用C11标准提供的**原子比较交换（CAS）**操作实现，核心是atomic_compare_exchange_strong函数，它能原子地完成“比较-交换”逻辑，完美解决竞态问题。

实现代码 #

#include <stdatomic.h>

_Atomic uint64_t foo; // volatile对原子类型是冗余的，C11原子类型本身保证内存可见性

int try_to_update_foo(uint64_t new_val) {
    uint64_t old_val = atomic_load(&foo);
    while (old_val < new_val) {
        // 原子比较：如果当前foo的值等于old_val，就把它换成new_val
        if (atomic_compare_exchange_strong(&foo, &old_val, new_val)) {
            return 1; // 更新成功
        }
        // 如果比较失败，说明foo已经被其他线程修改，更新old_val后重试
    }
    return 0; // 不需要更新（old_val >= new_val）
}

关键说明 #

• 原子性保证：atomic_compare_exchange_strong是硬件级别的原子操作，不会被线程调度打断，确保比较和赋值的原子性。
• 处理竞态场景：当两个线程同时尝试更新同一个new_val时，只有一个线程能成功完成交换，返回1；另一个线程会发现old_val已经被修改为new_val，此时old_val < new_val不成立，循环退出，返回0，完全符合需求。
• 关于volatile：C11的_Atomic类型已经隐含了内存可见性和禁止编译器优化的语义，不需要额外加volatile，加了属于冗余写法。
• weak vs strong：如果不需要严格避免虚假失败（部分平台可能出现），也可以用atomic_compare_exchange_weak，性能可能略好，但需要保留同样的循环逻辑。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者fadedbee