算法CAS的实现和无锁编程

Posted 2022-12-14 一只当归

• CAS（Compare and swap，比较与交换） 是一种有名的无锁算法。比较与交换，先比较，发现与预期一致，说明没有其他线程改动过，于是再交换。如果与预期不一致说明改动过，就再来一次。

与各类锁相比，CAS算法会使得程序设计变得复杂，但是其拥有优越的性能优势，而且不会出现死锁（没有锁，不会有线程一直阻塞），使用CAS算法没有锁之间竞争带来的开销，也没有线程间频繁调度带来的开销大，拥有更优越的性能。
CAS属于乐观锁思想的实现方法，当多个线程试图使用CAS同时更新同一个数据时，只有一个线程能更新数据，而其它线程都操作失败，但是失败的线程并不会被阻塞，而是被告知这次竞争失败，可以再次尝试操作。
CAS 操作包括三个操作数 ： 内存位置（V）、预期原值（A）和新值(B)。
如果内存位置的值与预期原值相符，那么处理器会自动将该位置值更新为新值。否则，处理器不做任何操作。无论在哪种情况下，它都会在 CAS 指令之前返回该位置的值。（在 CAS 的一些特殊情况下仅返回 CAS 是否成功）CAS 简单来理解可以认为是，我认为位置 V 存放的是 A，如果V存放的确实是A，则把B放在位置V，否则，不改变V存放的值，并且告知我位置V存放的值是多少。

//CAS算法的c语言实现：
int compare_and_swap (int* reg, int oldval, int newval) 

  ATOMIC();
  int old_reg_val = *reg;
  if (old_reg_val == oldval) 
     *reg = newval;
  END_ATOMIC();
  return old_reg_val;

ABA问题：
CAS 设计机制就是获取预期变量A和新值B这两个值进行比较更新，如果在获取预期变量A和新值B这段时间内，变量值由 A 变为 B 再变为 A，那么对于 CAS 来说是不可感知的，但实际上变量值已经发生了变化。对于这个问题的解决办法是在每次获取时加版本号（version），每次更新时版本号 +1，这样当发生 ABA 问题时就通过版本号得知变量被改动过。

• 无锁编程（lock-free），在不使用锁的情况下实现多线程之间的同步，也就是在没有线程被阻塞的情况下实现同步，所以也叫非阻塞同步（Non-blocking Synchronization）。实现非阻塞同步的方案称为“无锁编程算法”（ Non-blocking algorithm）。
  大量线程导致的线程切换开销、锁和非必要的内存拷贝都会大大降低性能，在高并发环境下要实现高吞吐量和线程安全，一是用优化的锁实现，二是lock-free的无锁结构。无锁编程是利用处理器的一些特殊的原子指令来避免传统并行设计中对锁的使用，使用无锁编程可以避免锁的使用引起的死锁、锁护送、优先级反转等问题。CAS操作是lock-free技术的基础。