QAtomicInt原子变量的CAS(Compare And Swap)写法与优缺点

    在Qt的多线程编程中，有时用到原子变量类型QAtomicInt，与C++原生的std::atomic类似，优点是：可以确保对象只有一个；缺点是：对象的状态，在不同的内存模型/线程中，有不同的状态的，需要做同步操作。
    原子变量的同步操作，既可以借助锁、信号量、临界区等额外变量来实现，也可以原子变量自身的CAS方法，来做同步。
    这里介绍原子变量的CAS写法，比如，下面第1节代码A，是一个无锁队列，采用QAtomiInt+QSemaphore实现。其中，入队函数是put(const Pancake& pancake), 出队函数是take()。
    这里的put(const Pancake& pancake)函数，采用了CAS方法，实现m_tail变量，在多个线程里的状态同步，即在线程ThreadA里看到m_tail值，与线程ThreadB里看到的m_tail值是一致的。

1 无锁队列-- 代码A

    下面是一个C++编写的无锁队列。

// 1）煎饼类
class Pancake {
public:Pancake(int id) : m_id(id) {}int getId() const { return m_id; }private:int m_id;
};// 2) 无锁队列
class PancakeTray_LockFree_WithSemaphore {
public:PancakeTray_LockFree_WithSemaphore(int capacity = 5) : m_capacity(capacity + 1), m_buffer(capacity + 1) {m_head = 0;m_tail = 0;m_notFull = new QSemaphore(capacity);   // 控制容量m_notEmpty = new QSemaphore(0);         // 控制可用项数量}~PancakeTray_LockFree_WithSemaphore() {delete m_notFull;delete m_notEmpty;}void put(const Pancake& pancake) {m_notFull->acquire();  // 等待空位，避免忙等// 无锁获取写入位置int currentTail;int nextTail;do {currentTail = m_tail;nextTail = (currentTail + 1) % m_capacity;} while (!m_tail.testAndSetOrdered(currentTail, nextTail));// 写入数据m_buffer[currentTail] = pancake;qDebug() << QString("师傅制作了煎饼#%1，托盘上现有%2个煎饼").arg(pancake.getId()).arg(getCount());m_notEmpty->release(); // 通知有新项可用}Pancake take() {m_notEmpty->acquire(); // 等待可用项，避免忙等// 无锁获取读取位置int currentHead;int nextHead;do {currentHead = m_head;nextHead = (currentHead + 1) % m_capacity;} while (!m_head.testAndSetOrdered(currentHead, nextHead));// 读取数据Pancake pancake = m_buffer[currentHead];m_notFull->release();  // 通知有新空位return pancake;}int getCount() const {int head = m_head;int tail = m_tail;return (tail - head + m_capacity) % m_capacity;}private:QVector<Pancake> m_buffer;int m_capacity;QAtomicInt m_head;QAtomicInt m_tail;QSemaphore* m_notFull;QSemaphore* m_notEmpty;
};

2 CAS方法

    我们已经知道，put()函数，属于入队操作，其代码如下：

    void put(const Pancake& pancake) {m_notFull->acquire();  // 等待空位，避免忙等// 无锁获取写入位置int currentTail;int nextTail;do {currentTail = m_tail;nextTail = (currentTail + 1) % m_capacity;} while (!m_tail.testAndSetOrdered(currentTail, nextTail));// 写入数据m_buffer[currentTail] = pancake;qDebug() << QString("师傅制作了煎饼#%1，托盘上现有%2个煎饼").arg(pancake.getId()).arg(getCount());m_notEmpty->release(); // 通知有新项可用}

    那么，put()函数里，“do{} while(m_tail.testAndSetOrdered(currentTail, nextTail))” 的作用是啥？

    这是一个很好的问题！下面，详细解释这个do-while循环的作用和原理。

2.1 问题分析

    这段代码的作用是原子性地获取并更新写入位置，它解决了多线程环境下的竞态条件问题。

do {currentTail = m_tail;                    // 1. 读取当前尾指针nextTail = (currentTail + 1) % m_capacity; // 2. 计算下一个位置
} while (!m_tail.testAndSetOrdered(currentTail, nextTail)); // 3. 原子性比较并交换

2.2 状态更新，为什么需要循环?

    由于是多线程操作这个无锁队列，即至少有2个以上线程，来执行put()函数。为了描述方便，这里只考虑2个线程的情况：线程A、线程B；
    场景如下：

初始状态：m_tail = 2线程A                    线程B
------                   ------
currentTail = 2          currentTail = 2     ← 都读到相同值
nextTail = 3             nextTail = 3        ← 都计算出相同的下一位置testAndSetOrdered(2,3)   testAndSetOrdered(2,3)
返回 true ✓              返回 false ✗        ← 只有一个能成功！

2.3 testAndSetOrdered()函数的工作原理

bool testAndSetOrdered(int expectedValue, int newValue)

    testAndSetOrdered()函数，执行一个原子操作，即要么操作成功，要么操作失败，
    若操作成功，则更新值；若操作失败，则使用原来的值；
具体如下：

• 1 比较：检查当前值是否等于expectedValue
• 2 交换：如果相等，设置为newValue
• 3 返回：返回操作是否成功
  关键特性：整个过程是原子的，不可被打断！

2.4 循环的作用

    在put()函数里的do{}while循环，反复执行testAndSetOrdered()函数，确保多个线程里的m_tail值，都是相同的；若不相同，则m_tail.testAndSetOrdered()返回false,又会进入循环，直到m_tail.testAndSetOrdered()返回true，即m_tail在所有的线程里都更新了。

do {currentTail = m_tail;                    // 重新读取最新值nextTail = (currentTail + 1) % m_capacity;
} while (!m_tail.testAndSetOrdered(currentTail, nextTail)); // 失败就重试

    执行流程如下：

• 1）第一次尝试：如果没有竞争，直接成功退出；
• 2）失败重试：如果其他线程修改了m_tail，重新读取最新值并再次尝试；
• 3）最终成功：直到成功获取到独占的写入位置；

    具体如下：

初始：m_tail = 2时刻1：
线程A: currentTail=2, nextTail=3, testAndSetOrdered(2,3) → 成功，m_tail变为3
线程B: currentTail=2, nextTail=3, testAndSetOrdered(2,3) → 失败（m_tail已经是3了）时刻2：
线程B: 重新读取 currentTail=3, nextTail=4, testAndSetOrdered(3,4) → 成功，m_tail变为4

2.4 为啥不能用原子变量++或–

    如果用原子自身的++：

// ❌ 错误的做法
int pos = m_tail++;  // 不是原子操作！

    会导致如下异常：
-1）数据竞争：多个线程可能得到相同的位置(自减不降，导致数据没有出队)；
-2）数据丢失：两个线程写入同一位置(自增覆盖，导致数据没有入队)；
-3）缓冲区损坏：指针状态不一致；

2.5 CAS方法的优缺点

    CAS方法的全称：Compare And Swap，具体如下：

• Compare：比较当前值
• And：如果相等
• Swap：交换为新值

优势：
✅ 无需锁，性能高
✅ 避免死锁
✅ 线程安全

缺点：
⚠️ 在高竞争下可能重试多次
⚠️ 实现复杂度较高

    这就是为什么无锁编程既强大又复杂的原因！
    这个do-while循环是确保线程安全的关键机制。