为何用std::atomic实现单次执行会出现多次执行问题？

我用以下代码实现某段逻辑仅执行一次：

class Test {
public:
    void foo() {
        if (m_barrier.exchange(true)) {
            return;
        }

        // This should only execute once
    }
private:
    std::atomic<bool> m_barrier { false };
};

多线程会多次调用foo()函数，预期exchange下方的代码每个对象实例仅执行一次。我原本认为这段代码是正确的，但发现有时该代码会执行多次。

运行环境为Android的aarch64架构CPU，已在三款不同手机上复现问题。不确定是Android标准库的bug，还是我的代码本身无法保证单次执行？

补充说明：

• 请勿建议使用std::once，因某些原因无法采用。
• 我知道可以用std::mutex搭配非atomic bool替代，我的问题是为何std::atomic实现不具备线程安全性？

你的代码逻辑本身从C++标准层面是正确的：std::atomic::exchange是原子操作，会原子性地将值替换为true并返回旧值。理论上，只有第一个调用foo()的线程会得到旧值false，进入后续逻辑；其他线程得到旧值true，直接返回。

但在Android aarch64平台出现多次执行的情况，大概率是Android标准库的atomic实现存在问题，或者是平台特定的内存模型行为未被正确处理：

• 内存顺序问题：默认情况下exchange使用的是std::memory_order_seq_cst，这是最严格的内存顺序，保证所有线程看到的操作顺序一致。但如果Android的libc++实现对aarch64的atomic操作做了不符合标准的优化，比如偷偷降低了内存顺序，可能导致线程间的操作可见性出现问题。
• 硬件指令生成问题：aarch64的原子交换依赖ldxr/stxr这样的独占加载/存储指令序列，若标准库的实现没有正确生成这些指令，或者存在指令重排序漏洞，可能导致多个线程同时进入临界区。
• 对象实例重复创建：如果存在多个Test对象实例，每个实例的m_barrier是独立的，自然会各自执行一次逻辑——这不属于atomic的问题，需要排查对象创建逻辑。

总结：你的代码逻辑符合C++线程安全规范，问题大概率出在Android aarch64平台的标准库atomic实现上，而非代码本身的设计错误。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Kostya Vasilyev