最終更新日時: 2024年12月23日 16時58分47秒 (JST)
Akira Takahashi が更新

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function
<atomic>

# std::atomic::compare_exchange_weak(C++11)

    bool
      compare_exchange_weak(T& expected,
                            T desired,
                            memory_order success,
                            memory_order failure
                            ) volatile noexcept;  // (1) C++11

    bool
      compare_exchange_weak(T& expected,
                            T desired,
                            memory_order success,
                            memory_order failure
                            ) noexcept;           // (2) C++11
    constexpr bool
      compare_exchange_weak(T& expected,
                            T desired,
                            memory_order success,
                            memory_order failure
                            ) noexcept;           // (2) C++26

    bool
      compare_exchange_weak(T& expected,
                            T desired,
                            memory_order order = memory_order_seq_cst
                            ) volatile noexcept;  // (3) C++11

    bool
      compare_exchange_weak(T& expected,
                            T desired,
                            memory_order order = memory_order_seq_cst
                            ) noexcept;           // (4) C++11
    constexpr bool
      compare_exchange_weak(T& expected,
                            T desired,
                            memory_order order = memory_order_seq_cst
                            ) noexcept;           // (4) C++26

## 概要

弱い比較で値を入れ替える。

- (1), (2) : 現在の値と`expected`が等値である場合に、`success`メモリオーダーで現在の値を`desired`で置き換え、そうでなければ`failure`メモリオーダーで`expected`を現在の値で置き換える
- (3), (4) : 現在の値と`expected`が等値である場合に、現在の値を`desired`で置き換え、そうでなければ`expected`を現在の値で置き換える。どちらの値置き換えの場合でも`order`メモリオーダーが使用される

## テンプレートパラメータ制約

- (1), (3) :
  - C++20 : `atomic<T>::is_always_lock_free`が`true`であること

## 事前条件

- `failure`が`memory_order_release`, `memory_order_acq_rel`ではないこと

## 効果

現在の値と`expected`をバイトレベルで等値比較を行い、`true`である場合は現在の値を`desired`で置き換え、`false`である場合は`expected`を現在の値で置き換える。

- (1), (2) : バイト等値比較が`true`の場合は`success`メモリオーダー、`false`の場合は`failure`メモリオーダーに従って、アトミックに値の置き換えが行われる
- (3), (4) : アトミックな値置き換えでは`order`メモリオーダーが使用される

## 戻り値

この関数を呼び出す前の`*this`が保持する値と`expected`の等値比較の結果が返される。等値であれば`true`、そうでなければ`false`が返る。

## 例外

投げない

## 備考

この関数は、値が交換可能な場合でもCAS (compare-and-swap) 操作が失敗する可能性がある (Spurious Failure)。

`compare_exchange_strong()`はより強い命令であり、交換可能な場合はCAS操作が常に成功する。

アーキテクチャによっては、この関数は`compare_exchange_strong()`と等価だが、PowerPCやARMなどLL/SC命令を提供するアーキテクチャの場合、この関数はハードウェアの“弱いLL/SC命令”にて実装されうる。wikipedia:en:Load-link/store-conditional, wikipedia:Load-Link/Store-Conditional などを参照のこと。

通常、CAS操作は、CASが成功するまでループさせる。

しかし、もしCAS操作でSpurious Failureが発生しなければループさせる必要が無くなるといった状況であれば、`compare_exchange_strong()`を使うことで効率良くCASを行うことができる。

逆に言えば、そのような状況でないなら常にループで`compare_exchange_weak()`を利用すれば良い。

## 例

### 基本的な使い方

    #include <iostream>
    #include <atomic>

    int main()
    {
      {
        std::atomic<int> x(3);

        // x == expectedなので、xは2に置き換えられる
        int expected = 3;
        bool result = x.compare_exchange_weak(expected, 2);

        std::cout << std::boolalpha << result << " " << x.load() << " " << expected << std::endl;
      }
      {
        std::atomic<int> x(3);

        // x != expectedなので、expectedがxの値で置き換えられる
        int expected = 1;
        bool result = x.compare_exchange_weak(expected, 2);

        std::cout << std::boolalpha << result << " " << x.load() << " " << expected << std::endl;
      }
    }

#### 出力

    true 2 3
    false 3 3

### 競合を回避しながら値を更新する例

    #include <iostream>
    #include <atomic>
    #include <thread>

    class my_atomic_integer {
      std::atomic<int> value_{0};
    public:
      // std::atomic<int>::fetch_add(1)相当
      void increment() {
        int expected = value_.load();
        int desired;
        do {
          desired = expected + 1;
        }
        // 他のスレッドによってvalue_の値が書き換わっている可能性があるため、
        // value_ != expectedだったらexpected = value_に更新する。
        // value_ == expectedだったらその値に+1して値更新する。
        // 変更前の値に依存して変更後の値が必要な場合に、このようなdo/whileループが必要となる
        while (!value_.compare_exchange_weak(expected, desired));

        // 変更前の値に依存した値更新のパターンは、以下のようになる：
        // expected = current.load();
        // do {
        //   desired = function(expected); // expectedに何らかの変換を行う
        // }
        // while (!current.compare_exchange_weak(expected, desired));
      }

      // 値の上書き
      void store(int new_value) {
        // 変更前の値に依存しない場合は、Spurious Failureを回避するためのwhile文のみ必要となる
        int expected = value_.load();
        while (!value_.compare_exchange_weak(expected, new_value)) {}
      }

      int load() const {
        return value_.load();
      }
    };

    int main()
    {
      my_atomic_integer x;

      // 複数スレッドでインクリメントを呼んでも、
      // 最終的に全てのインクリメントが処理された値になる
      std::thread t1 {[&x] {
        x.increment();
      }};
      std::thread t2 {[&x] {
        x.increment();
      }};

      t1.join();
      t2.join();

      std::cout << x.load() << std::endl;
    }

#### 出力

    2

## バージョン

### 言語

- C++11

### 処理系

- Clang: 3.2 ✅
- GCC: 4.7.0 ✅
- Visual C++: 2012 ✅, 2013 ✅

## 関連項目

- C++20 ほとんどの`volatile`を非推奨化

## 参照

- atomic compare_exchange_weak/strong関数 - yohhoyの日記
- N2748 Strong Compare and Exchange
- cbloom rants: 07-14-11 - compare_exchange_strong vs compare_exchange_weak
- What does 'spurious failure' on a CAS mean? - StackOverflow
- “Strong” and “weak” hardware memory models - Sutter’s Mill
- Understand `std::atomic::compare_exchange_weak()` in C++11 - Eric Z's blog
- P1831R1 Deprecating `volatile`: library
  - C++20での、`volatile`版への制約追加
- P3309R3 `constexpr atomic` and `atomic_ref`
  - C++26で`constexpr`に対応した