CAS（Compare And Swap）是一種原子操作翠拣，用于保證在無鎖情況下的數(shù)據(jù)一致性的問題摆出。在無鎖情況下，假設(shè)有兩個線程 A 和 B濒旦，他們都讀取某一個值 V，修改后再存回內(nèi)存中再登，當它們并行執(zhí)行時疤估，就可能會引起數(shù)據(jù) V 的不一致問題。
CAS 的具體操作是比較和替換霎冯，即第一步比較指定值和內(nèi)存中的值是否一致，若一致則使用新值對內(nèi)存值進行替換钞瀑。
不一致問題的舉例
假設(shè)有兩個線程 A 和 B沈撞，它們分別對數(shù)據(jù) V（值為100）執(zhí)行加 10 和減 10 的操作，代碼執(zhí)行過程如下：
線程A對數(shù)據(jù)V的操作：
- 從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù) V（100）雕什；
- （在線程中）將數(shù)據(jù) V加10缠俺；
- 將加法的結(jié)果 V1（110）存入內(nèi)存中原來的位置（替換掉舊的 V）。
線程 B 對數(shù)據(jù) V 的操作：
- 從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù) V（100）贷岸；
- （在線程中）將數(shù)據(jù) V 減 10壹士；
- 將減法的結(jié)果 V2（90）存入內(nèi)存中原來的位置（替換掉舊的 V）。
假設(shè)這兩個線程并發(fā)執(zhí)行偿警，且 A 首先獲得 CPU 時間片躏救，在 A 的 CPU 時間內(nèi)，它先讀取數(shù)據(jù) V 的值，并將其進行了加法操作盒使，獲得數(shù)據(jù) V1（110）崩掘。此時，A 的 CPU 時間片結(jié)束少办，線程 B 開始執(zhí)行苞慢。B 將數(shù)據(jù) V 讀入（此時數(shù)據(jù)V未被改動），并執(zhí)行了減法操作英妓，獲得數(shù)據(jù) V2（90）挽放。此時，B 的 CPU 時間片結(jié)束蔓纠，線程 A 繼續(xù)執(zhí)行辑畦，A 將 V1（110）存入內(nèi)存，A 線程結(jié)束贺纲。B 繼續(xù)執(zhí)行航闺，B 將 V2（90）存入內(nèi)存，B 線程結(jié)束猴誊。
我們可以看到潦刃，此時內(nèi)存中的數(shù)據(jù) V 已經(jīng)變成了 V2（90），與我們原先以為的100（加十減十）預(yù)期不同懈叹，造成了數(shù)據(jù)不一致的問題乖杠。
使用CAS解決數(shù)據(jù)不一致問題
CAS 可以用于解決上述數(shù)據(jù)不一致問題，假設(shè)線程 A 和 B 都使用了 CAS 方式澄成，那么他們的執(zhí)行步驟為：
線程 A 對數(shù)據(jù) V 的操作：
- 從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù) V（100）胧洒；
- （在線程中）將數(shù)據(jù) V 加 10；
- 執(zhí)行 CAS 操作墨状，比較第一步讀取的 V 值（100）與現(xiàn)在內(nèi)存中的 V 值是否相等卫漫，若相等則繼續(xù)；否則返回執(zhí)行第一步肾砂；
- 將加法的結(jié)果 V1（110）存入內(nèi)存中原來的位置（替換掉舊的 V）列赎。
線程B對數(shù)據(jù)V的操作：
- 從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù) V（100）；
- （在線程中）將數(shù)據(jù) V 減 10镐确；
- 執(zhí)行 CAS 操作包吝，比較第一步讀取的 V 值（100）與現(xiàn)在內(nèi)存中的 V 值是否相等，若相等則繼續(xù)源葫；否則返回執(zhí)行第一步诗越；
- 將減法的結(jié)果 V2（90）存入內(nèi)存中原來的位置（替換掉舊的 V）。
流程修改后息堂，在執(zhí)行過程中嚷狞，當 A 線程執(zhí)行結(jié)束后，內(nèi)存中的值已經(jīng)變?yōu)?V1（110），線程B在存入新的值之前首先比較 V1 是否與 V 相同感耙，因為內(nèi)存中的值已經(jīng)修改褂乍，所以線程B需要重新執(zhí)行讀取操作，從第一步重新執(zhí)行即硼，將 V1（110）減 10 在存入內(nèi)存逃片，得到 V（100）與預(yù)期一致，從而確保了數(shù)據(jù)的一致問題只酥。
實現(xiàn)
CAS 操作基于 CPU 提供的原子操作指令實現(xiàn)褥实。對于 Intel X86 處理器，可通過在匯編指令前增加 LOCK 前綴來鎖定系統(tǒng)總線裂允，使系統(tǒng)總線在匯編指令執(zhí)行時無法訪問相應(yīng)的內(nèi)存地址损离。而各個編譯器根據(jù)這個特點實現(xiàn)了各自的原子操作函數(shù)。[1]
- C語言绝编，C11 的頭文件 stdatomic.h僻澎。由 GNU 提供了對應(yīng)的 __sync 系列函數(shù)完成原子操作。
- C++11十饥，STL 提供了 atomic 系列函數(shù)窟勃。
- JAVA，sun.misc.Unsafe 提供了 compareAndSwap 系列函數(shù)逗堵。
- C#秉氧，通過 Interlocked 方法實現(xiàn)。
- Go蜒秤， 通過 import “sync/atomic” 包實現(xiàn)汁咏。
- Windows，通過 Windows API 實現(xiàn)了 InterlockedCompareExchangeXYZ 系列函數(shù)作媚。
外部鏈接
- [1] 引用自 Wikipedia CAS 詞條：https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%AF%94%E8%BE%83%E5%B9%B6%E4%BA%A4%E6%8D%A2#%E5%AE%9E%E7%8E%B0
文章的純 HTML 版本點此鏈接訪問攘滩。
以上。
個人博客原文地址：https://maphical.cn/link/?t=NG0V6G
