C++12CAS

C++12CAS

1.CAS是什么，作用是什么？

CAS（Compare-and-Swap），即比较并替换，是一种实现并发算法时常用到的技术
在并发程序中，如果多个线程共享一个变量，通过CAS可以在不加锁的情况下实现对共享变量的安全的访问。

2.CAS介绍

CAS不通过阻塞线程来实现对共享内存的安全访问,通过将对共享内存的读写操作实现为原子操作,cas的操作原型

CAS(void *ptr,type oldVal,type newVal)
{
	if(*ptr == oldVal)
	{
		*ptr = newVal;
	}
}

3. CAS 的原子性原理

CAS 的核心在于其原子性操作。在多线程环境中，多个线程可能会同时对一个共享变量进行读写操作，如果没有适当的同步机制，就会导致数据不一致的问题。而 CAS 通过硬件级别的原子指令来实现对共享变量的更新操作，确保在任何时刻只有一个线程能够成功地修改共享变量。具体来说，CAS 操作通常由 CPU 提供的特殊指令来实现，这些指令能够在单个 CPU 周期内完成比较和交换操作。当一个线程执行 CAS 操作时，它会先读取共享变量的当前值，然后将这个值与预期的旧值进行比较。如果两者相等，说明在该线程读取共享变量之后，没有其他线程对共享变量进行修改，于是该线程就可以安全地将共享变量更新为新值。否则，如果共享变量的当前值与预期的旧值不相等，说明有其他线程已经修改了共享变量，那么当前线程的 CAS 操作就会失败，通常会返回一个失败的标志，线程可以根据这个标志来决定是否重试或其他处理逻辑。

4. CAS 的优点

4.1 无锁并发：

CAS 不需要使用传统的锁机制，避免了线程阻塞和上下文切换的开销，从而提高了系统的并发性能。在高并发场景下，锁的竞争可能会导致严重的性能瓶颈，而 CAS 可以有效缓解这一问题，使得多个线程能够更高效地并发执行。

4.2可重试性：

当 CAS 操作失败时，线程可以根据需要进行重试。这种重试机制使得线程可以在面对并发冲突时，通过不断尝试来最终完成操作，而不是像使用锁那样，一旦获取不到锁就只能等待。这种可重试性为设计高效的并发算法提供了更大的灵活性。

4.3 线程安全：

CAS 通过原子操作保证了对共享变量的访问和更新是线程安全的，能够有效防止数据竞争和数据不一致的问题。在多线程并发访问共享资源时，使用 CAS 可以确保每个线程看到的共享变量的值都是最新的，并且在更新操作时不会被其他线程干扰。

5. CAS 的缺点

5.1ABA 问题

CAS 操作是基于共享变量的旧值来进行比较和交换的，但它无法感知共享变量在比较期间是否发生了变化。如果一个线程在执行 CAS 操作之前，共享变量的值被其他线程修改了多次，最终又恢复到了原来的旧值，那么当前线程的 CAS 操作就会成功，但实际上共享变量的值可能已经发生了变化。这种问题被称为 ABA 问题，它可能导致一些潜在的错误和数据不一致的情况。为了解决 ABA 问题，可以引入版本号或时间戳等机制，将共享变量的值与版本号或时间戳一起进行比较和交换。

5.2高竞争下的性能问题

虽然 CAS 本身不需要锁，但在高并发竞争的情况下，多个线程可能会不断地尝试执行 CAS 操作，导致大量的失败和重试。这种高竞争会导致 CPU 缓存的频繁失效和内存总线的高负载，反而可能降低系统的性能。在这种情况下，可能需要结合其他并发控制机制，如分段锁、队列等，来缓解竞争压力。

5.3适用场景有限

CAS 更适合于对共享变量进行简单的更新操作，如原子性的加减、赋值等。对于复杂的操作，如需要对多个共享变量进行一系列的更新操作，CAS 可能无法直接适用，或者需要通过复杂的逻辑来实现。在这种情况下，传统的锁机制或其他并发控制机制可能更加合适。

6. CAS 的应用

6.1原子类：

在 Java 中， java.util.concurrent.atomic 包提供了一系列的原子类，如 AtomicInteger 、 AtomicLong 、 AtomicReference 等。这些原子类内部使用 CAS 操作来实现对共享变量的线程安全访问和更新，使得开发者可以在不使用锁的情况下方便地进行并发编程。例如， AtomicInteger 提供了 incrementAndGet() 、 compareAndSet() 等方法，这些方法底层都是通过 CAS 指令来实现的，保证了对整数变量的原子操作。

6.2 无锁数据结构

CAS 也是实现无锁数据结构的基础。无锁数据结构通过使用 CAS 操作来保证数据结构的线程安全，避免了传统锁机制带来的性能开销和复杂性。例如，无锁队列、无锁栈等数据结构，可以在高并发场景下提供高效的并发访问和操作。这些无锁数据结构通常会结合一些额外的技巧，如指针反转、版本号等，来解决 CAS 的 ABA 问题，并实现复杂的操作逻辑。

6.3并发算法：

在设计并发算法时，CAS 也经常被用作一种重要的同步原语。例如，在实现线程安全的计数器、并发集合、锁等算法时，CAS 可以用来保证关键操作的原子性。通过合理地使用 CAS，可以设计出高效、可扩展的并发算法，提高系统的并发性能和可靠性。

7.CAS 的实现与优化

7.1 硬件支持

CAS 操作通常依赖于硬件提供的原子指令来实现。不同的 CPU 架构提供了不同的原子指令，如 x86 架构的 CMPXCHG 指令、ARM 架构的 LDREX 和 STREX 指令等。这些原子指令能够在单个 CPU 周期内完成比较和交换操作，保证了操作的原子性。在编程语言层面，通常会通过内联汇编或特定的原子操作库来调用这些硬件原子指令，从而实现 CAS 操作。

7.2软件优化

除了硬件支持外，软件层面也可以对 CAS 进行一些优化。例如，可以通过引入退避机制来缓解高竞争下的性能问题。当 CAS 操作失败时，线程可以等待一段时间后再重试，而不是立即重试，这样可以减少 CPU 的负载和缓存的失效次数。此外，还可以通过分段锁、队列等并发控制机制与 CAS 结合使用，进一步提高系统的并发性能和可扩展性。

8. CAS 与其他并发控制机制的比较

8.1与锁的比较：

锁是一种基于阻塞的并发控制机制，当一个线程获取锁后，其他线程必须等待直到锁被释放。锁的优点是可以实现复杂的同步逻辑，适用于对多个共享变量进行一系列的操作，但缺点是会导致线程阻塞和上下文切换的开销，降低系统的并发性能。而 CAS 是一种基于非阻塞的并发控制机制，通过原子操作来实现对共享变量的更新，避免了线程阻塞，提高了系统的并发性能，但适用场景相对有限，对于复杂的操作可能需要结合其他机制来实现。

8.2与事务内存的比较：

事务内存是一种新兴的并发控制机制，它允许线程执行一系列的操作作为一个事务，只有在事务提交时才会对共享变量进行更新。事务内存的优点是可以实现复杂的同步逻辑，并且具有较好的可扩展性，但缺点是实现复杂，且可能会引入额外的性能开销。CAS 与事务内存相比，实现相对简单，性能开销较小，但在适用场景和功能上相对有限。

9.总结CAS（比较并替换）

是一种在并发编程中常用的无锁并发技术，通过原子操作实现了对共享变量的安全访问和更新。它具有无锁并发、可重试性和线程安全等优点，但也存在 ABA 问题、高竞争下的性能问题和适用场景有限等缺点。CAS 广泛应用于原子类、无锁数据结构和并发算法等领域，为实现高效的并发编程提供了重要的支持。在实际应用中，需要根据具体的场景和需求，合理选择 CAS 或其他并发控制机制，以达到最佳的并发性能和可靠性。

10.c++实现

在C++中，实现CAS（Compare-and-Swap）操作主要有两种方式：使用C++11标准中的 std::atomic 类，或者使用编译器提供的内置函数。以下是两种实现方式的详细说明和示例代码。

10.1 使用C++11标准的 std::atomic 类C++11引入了 std::atomic 类

使用C++11标准的 std::atomic 类C++11引入了 std::atomic 类，提供了多种原子操作，包括CAS操作。 std::atomic 类提供了 compare_exchange_weak 和 compare_exchange_strong 两个成员函数，用于实现CAS操作。

#include <atomic>
#include <iostream>
#include <thread>

std::atomic<int> sharedVar(0);

void increment() {
    int expected = 0;
    while (!sharedVar.compare_exchange_weak(expected, 1, std::memory_order_relaxed)) {
        expected = 0; // 重置expected值
    }
}

int main() {
    std::thread t1(increment);
    std::thread t2(increment);

    t1.join();
    t2.join();

    std::cout << "Final value: " << sharedVar << std::endl; // 输出最终值
    return 0;
}

10.2使用GCC内置函数GCC 4.1及以上版本提供了内置的CAS支持

主要通过以下两个函数实现：• bool __sync_bool_compare_and_swap(type *ptr, type oldval, type newval, …); • type __sync_val_compare_and_swap(type *ptr, type oldval, type newval, …);

#include <iostream>
#include <thread>

int sharedVar = 0;

void increment() {
    int expected = 0;
    while (!__sync_bool_compare_and_swap(&sharedVar, expected, 1)) {
        expected = sharedVar; // 重置expected值
    }
}

int main() {
    std::thread t1(increment);
    std::thread t2(increment);

    t1.join();
    t2.join();

    std::cout << "Final value: " << sharedVar << std::endl; // 输出最终值
    return 0;
}

10.3. 使用Windows API在Windows平台上，可以使用 InterlockedCompareExchange 函数来实现CAS操作。

#include <windows.h>
#include <iostream>
#include <thread>

LONG sharedVar = 0;

void increment() {
    LONG expected = 0;
    while (InterlockedCompareExchange(&sharedVar, 1, expected) != expected) {
        expected = sharedVar; // 重置expected值
    }
}

int main() {
    std::thread t1(increment);
    std::thread t2(increment);

    t1.join();
    t2.join();

    std::cout << "Final value: " << sharedVar << std::endl; // 输出最终值
    return 0;
}

10.4使用C++11的 compare_exchange_weak 和 compare_exchange_strong C++11标准提供了 compare_exchange_weak 和 compare_exchange_strong 两个函数，用于实现CAS操作。

compare_exchange_weak 在某些情况下可能会失败，即使在没有数据竞争的情况下也可能因为硬件优化而失败，因此通常需要在循环中使用。 compare_exchange_strong 则提供更强的保证，不会因为硬件优化而失败，但效率可能较低。

#include <atomic>
#include <iostream>
#include <thread>

std::atomic<int> sharedVar(0);

void increment() {
    int expected = 0;
    while (!sharedVar.compare_exchange_weak(expected, 1, std::memory_order_relaxed)) {
        expected = 0; // 重置expected值
    }
}

int main() {
    std::thread t1(increment);
    std::thread t2(increment);

    t1.join();
    t2.join();

    std::cout << "Final value: " << sharedVar << std::endl; // 输出最终值
    return 0;
}

10.5总结

在C++中，实现CAS操作有多种方式，推荐使用C++11标准的 std::atomic 类，因为它提供了标准化的原子操作，并且具有良好的跨平台兼容性。如果需要更高的性能，可以考虑使用 compare_exchange_weak 函数，但需要注意其可能失败的情况。对于特定平台，如Windows，可以使用平台提供的API（如 InterlockedCompareExchange ）来实现CAS操作。