如何使用原子比較和交換在 C 11 中實現 ABA 計數器？

使用C 11 CAS 實現ABA 計數器

當記憶體位置的值被修改兩次時，就會出現ABA 問題，且中間的修改設定它恢復到原來的值。這可以欺騙依賴原子比較和交換 (CAS) 操作的線程，使其相信某個值沒有更改，而實際上它已更改。

為了防止 ABA 問題，一個常見的解決方案是建立隨著記憶體位置的每次變更而遞增的計數器。此計數器隨著變化而原子地遞增，以便 CAS 操作可以檢查自上次操作以來計數器是否也發生了變化。

在 C 11 中，std::atomic_compare_exchange_weak 函數提供了原子 CAS 操作。但是，它不允許同時修改多個變量，例如值和計數器。

要使用 C 11 CAS 實作 ABA 計數器，我們需要將計數器和值儲存在相鄰記憶體中位置，以便單一 CAS 操作可以原子地更新這兩個值。這可以使用具有兩個成員的結構來實現，其中第一個成員是值，第二個成員是計數器：

struct Node {
  std::atomic<int> value;
  std::atomic<int> counter;
};

有了這個資料結構，我們可以使用std::atomic_compare_exchange_weak 函數來實作ABA 計數器：

void modifyValue(Node& node, int newValue) {
  int expectedValue = node.value.load(std::memory_order_relaxed);
  int expectedCounter = node.counter.load(std::memory_order_relaxed);
  bool success;
  do {
    success = node.value.compare_exchange_weak(expectedValue, newValue, std::memory_order_acq_rel);
    success = node.counter.compare_exchange_weak(expectedCounter, expectedCounter + 1, std::memory_order_acq_rel);
  } while (!success);
}

在此範例中，modifyValue函數首先使用std::memory_order_relaxed 記憶體順序，允許亂序讀取值並可能導致撕裂。

然後使用 std::atomic_compare_exchange_weak 函數將預期值和計數器與目前值進行比較在記憶體位置。如果值匹配，則使用 std::memory_order_acq_rel 記憶體順序將新值和計數器寫入該位置，這確保操作完成後寫入對其他執行緒可見。

如果值不匹配匹配時，compare_exchange_weak 函數失敗並再次執行循環，在再次嘗試原子交換之前加載最新的期望值和計數器。

此實作確保計數器是隨著值自動遞增，防止 ABA 問題並確保執行緒可以安全地依賴值的一致性。

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