如何使用原子比较和交换在 C 11 中实现 ABA 计数器？

使用 C 11 CAS 实现 ABA 计数器

当内存位置的值被修改两次时，就会出现 ABA 问题，并且中间的修改设置它恢复到原来的值。这可以欺骗依赖原子比较和交换 (CAS) 操作的线程，使其相信某个值没有更改，而实际上它已更改。

为了防止 ABA 问题，一个常见的解决方案是创建随着内存位置的每次更改而递增的计数器。该计数器随着变化而原子地递增，以便 CAS 操作可以检查自上次操作以来计数器是否也发生了变化。

在 C 11 中，std::atomic_compare_exchange_weak 函数提供了原子 CAS 操作。但是，它不允许同时修改多个变量，例如值和计数器。

要使用 C 11 CAS 实现 ABA 计数器，我们需要将计数器和值存储在相邻内存中位置，以便单个 CAS 操作可以原子地更新这两个值。这可以使用具有两个成员的结构来实现，其中第一个成员是值，第二个成员是计数器：

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

有了这个数据结构，我们可以使用 std::atomic_compare_exchange_weak 函数来实现 ABA 计数器：

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);
}

在此示例中，modifyValue 函数首先使用std::memory_order_relaxed 内存顺序，允许乱序读取值并可能导致撕裂。

然后使用 std::atomic_compare_exchange_weak 函数将预期值和计数器与当前值进行比较在内存位置。如果值匹配，则使用 std::memory_order_acq_rel 内存顺序将新值和计数器写入该位置，这确保操作完成后写入对其他线程可见。

如果值不匹配匹配时，compare_exchange_weak 函数失败并再次执行循环，在再次尝试原子交换之前加载最新的期望值和计数器。

此实现确保计数器是随着值自动递增，防止 ABA 问题并确保线程可以安全地依赖值的一致性。

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