如何使用原子操作实现 std::weak_ptr::lock？答案

【问题标题】：how to implement std::weak_ptr::lock with atomic operations?如何使用原子操作实现 std::weak_ptr::lock？
【发布时间】：2022-01-16 17:57:44
【问题描述】：

最近尝试用C实现原子引用计数器，所以参考了stl中std::shared_ptr的实现，对weak_ptr::lock的实现很困惑。在执行 compare_and_exchange 时，clang 指定了 memory_order_seq_cst，g++ 指定了 memory_order_acq_rel，MSVC 指定了 memory_order_relaxed。我认为 memory_order_relaxed 已经足够了，因为如果 user_count 不为零，则不需要同步数据。我不是这方面的专家，谁能给点建议？

以下是代码sn-ps：

MSVC

    bool _Incref_nz() noexcept { // increment use count if not zero, return true if successful
        auto& _Volatile_uses = reinterpret_cast<volatile long&>(_Uses);
#ifdef _M_CEE_PURE
        long _Count = *_Atomic_address_as<const long>(&_Volatile_uses);
#else
        long _Count = __iso_volatile_load32(reinterpret_cast<volatile int*>(&_Volatile_uses));
#endif
        while (_Count != 0) {
            const long _Old_value = _INTRIN_RELAXED(_InterlockedCompareExchange)(&_Volatile_uses, _Count + 1, _Count);
            if (_Old_value == _Count) {
                return true;
            }

            _Count = _Old_value;
        }

        return false;
    }

clang/libcxx

__shared_weak_count*
__shared_weak_count::lock() noexcept
{
    long object_owners = __libcpp_atomic_load(&__shared_owners_);
    while (object_owners != -1)
    {
        if (__libcpp_atomic_compare_exchange(&__shared_owners_,
                                             &object_owners,
                                             object_owners+1))
            return this;
    }
    return nullptr;
}

gcc/libstdc++

 template<>
    inline bool
    _Sp_counted_base<_S_atomic>::
    _M_add_ref_lock_nothrow() noexcept
    {
      // Perform lock-free add-if-not-zero operation.
      _Atomic_word __count = _M_get_use_count();
      do
    {
      if (__count == 0)
        return false;
      // Replace the current counter value with the old value + 1, as
      // long as it's not changed meanwhile.
    }
      while (!__atomic_compare_exchange_n(&_M_use_count, &__count, __count + 1,
                      true, __ATOMIC_ACQ_REL,
                      __ATOMIC_RELAXED));
      return true;
    }

【问题讨论】：

标签： visual-c++ libstdc++ libc++ stdatomic weak-ptr

【解决方案1】：

我正在尝试自己回答这个问题。

standard spec 只说weak_ptr::lock 应该作为原子操作执行，而没有更多关于内存顺序的内容。这样不同的线程就可以直接并行调用weak_ptr::lock，而没有任何竞争条件，当这种情况发生时，不同的实现会提供不同的memory_order。但无论如何，以上所有的实现都是正确的。

【讨论】：