【并发】CAS原子操作

news2025/1/18 18:10:08

1. 定义

CAS是Compare And Swap的缩写，直译就是比较并交换。CAS是现代CPU广泛支持的一种对内存中的共享数据进行操作的一种特殊指令，这个指令会对内存中的共享数据做原子的读写操作。其作用是让CPU比较内存中某个值是否和预期的值相同，如果相同则将这个值更新为新值，不相同则不做更新。
本质上来讲CAS是一种无锁的解决方案，也是一种基于乐观锁的操作，可以保证在多线程并发中保障共享资源的原子性操作，相对于信号量或锁来说，是一种轻量级的实现方案。
在这里插入图片描述
在上图中涉及到三个值的比较和操作：修改之前获取的（待修改）值A，业务逻辑计算的新值B，以及待修改值对应的内存位置的C。
整个处理流程中，假设内存中存在一个变量i，它在内存中对应的值是A（第一次读取），此时经过业务处理之后，要把它更新成B，那么在更新之前会再读取一下i现在的值C，如果在业务处理的过程中i的值并没有发生变化，也就是A和C相同，才会把i更新（交换）为新值B。如果A和C不相同，那说明在业务计算时，i的值发生了变化，则不更新（交换）成B。最后，CPU会将旧的数值返回。而上述的一系列操作由CPU指令来保证是原子的。

2. CAS的内核实现

s64 generic_atomic64_cmpxchg(atomic64_t *v, s64 o, s64 n)
{
    unsigned long flags;
    raw_spinlock_t *lock = lock_addr(v);
    s64 val;

    raw_spin_lock_irqsave(lock, flags);
    val = v->counter;
    if (val == o)
        v->counter = n;
    raw_spin_unlock_irqrestore(lock, flags);
    return val;
}

3. CAS存在的问题

3.1 ABA问题

虽然使用CAS可以实现非阻塞式的原子性操作，但是会产生ABA问题，ABA问题出现的基本流程：
● 进程P1在共享变量中读到值为A；
● P1被抢占了，进程P2执行；
● P2把共享变量里的值从A改成了B，再改回到A，此时被P1抢占；
● P1回来看到共享变量里的值没有被改变，于是继续执行；
虽然P1以为变量值没有改变，继续执行了，但是这个会引发一些潜在的问题。ABA问题最容易发生在lock free的算法中的，CAS首当其冲，因为CAS判断的是指针的地址。如果这个地址被重用了呢，问题就很大了（地址被重用是很经常发生的，一个内存分配后释放了，再分配，很有可能还是原来的地址）。
维基百科上给了一个形象的例子：你拿着一个装满钱的手提箱在飞机场，此时过来了一个火辣性感的美女，然后她很暖昧地挑逗着你，并趁你不注意，把用一个一模一样的手提箱和你那装满钱的箱子调了个包，然后就离开了，你看到你的手提箱还在那，于是就提着手提箱去赶飞机去了。
ABA问题的解决思路就是使用版本号：在变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加1，那么A->B->A就会变成1A->2B->3A。