std::atomic<T>::exchange示例中counter值为何小于25？

参考std::atomic<T>::exchange官方示例的代码如下：

int main(){
    const std::size_t ThreadNumber = 5;
    const int Sum = 5;
    std::atomic<int> atom{0};
    std::atomic<int> counter{0};
 
    // lambda as thread proc
    auto lambda = [&](const int id){
        for (int next = 0; next < Sum;){
            // each thread is writing a value from its own knowledge
            const int current = atom.exchange(next);
            counter++;
            // sync writing to prevent from interrupting by other threads
            std::osyncstream(std::cout)
                << '#' << id << " (" << std::this_thread::get_id()
                << ") wrote " << next << " replacing the old value "
                << current << '\n';
            next = std::max(current, next) + 1;
        }
    };
 
    std::vector<std::thread> v;
    for (std::size_t i = 0; i < ThreadNumber; ++i){
        v.emplace_back(lambda, i);
    }
 
    for (auto& tr : v){
        tr.join();
    }
 
    std::cout << ThreadNumber << " threads adding 0 to "
              << Sum << " takes total "
              << counter << " times\n";
}

初始认知存在偏差：认为程序启动5个线程，每个线程循环执行5次，原子变量counter最终值应为25。但实际运行时counter值随线程调度波动，官方示例运行结果为16，本地运行也始终达不到25。

你的前提假设每个线程固定执行5次循环完全不成立。counter本身是原子变量，计数逻辑没有任何并发错误，数值偏小是代码本身的设计导致的：

• 单线程的循环退出条件是局部变量next >= Sum（即next≥5），但next从来不是单线程独立逐次自增的：所有线程通过atom.exchange()的原子读改写操作共享状态，每次执行完exchange后，线程会把自己的next更新为max(从atom读到的旧值, 自身当前next值) + 1。只要线程读到其他线程写入的更大值，自身的next会直接跳涨，不需要一步步从0数到4。
• 这段代码的逻辑根本不是5个线程各自独立完成0到4的计数，而是5个线程共同争抢执行权，协作把共享状态关联的递增序列从0推到5。每进入一次循环就会执行一次exchange、对应一次counter++，counter统计的是所有线程完成这个共同任务的总原子操作尝试次数，不是每个线程独立循环次数的累加。

举个典型的调度场景：

1. 线程1率先执行，第一次exchange读到初始值0，写入自己的next=0，随后把自己的next更新为1
2. 线程1还没跑下一轮，线程2启动执行，第一次exchange读到0，写入自己的初始next=0，随后把自己的next更新为1
3. 线程1抢到执行权跑第二轮，exchange读到线程2写入的0，写入自己的next=1，随后把自己的next更新为2
4. 刚启动的线程3抢到执行权，exchange读到线程1刚写入的1，写入自己的初始next=0，随后直接把自己的next更新为max(1,0)+1=2——线程3直接跳过了next=1的轮次，少跑一次循环

实际运行时这类跳涨会频繁发生，绝大多数线程都不会走完next从0到4的全部5次迭代，总循环次数自然远小于25，且会因为线程调度的争抢顺序不同出现数值波动。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Peipei