固定大小的std::vector<std::atomic_bool>元素操作是否线程安全？

结论 #

这个操作是线程安全的，不会产生数据竞争或未定义行为。

原因说明 #

• 首先，std::vector的operator[]操作本身不会修改vector的内部元数据（比如大小、容量、底层内存指针），题目已经明确说明vector创建后不会修改大小，也就不会触发扩容、元素移动/销毁这类会改变内存布局的操作。这种前提下，多线程不管是访问同一个下标还是不同下标的vector元素，调用operator[]本身都不会有线程安全问题，返回的元素引用是稳定有效的。
• 其次，std::atomic_bool的compare_exchange_strong是C++标准规定的原子操作，本身就是线程安全的：哪怕多个线程同时操作同一个std::atomic_bool实例，这个操作也会以原子方式执行，只会按照内存序的规定产生符合预期的结果，不会出现数据竞争。

补充说明 #

如果有其他线程同时对下标为2的这个atomic_bool变量做写入操作，本次compare_exchange_strong的执行结果可能成功也可能失败，但这是原子操作的正常语义，不属于线程安全问题，也不会产生未定义行为。
只有当你在执行这个操作的同时，有其他线程修改vector的大小（比如调用resize、push_back、erase等方法），才可能触发未定义行为，但题目已经排除了这种情况。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Lorah Attkins