C++ CAS
CAS 即 Compare-And-Swap，是一种用于实现多线程同步的原子操作。它在并发编程、操作系统、数据库等领域广泛应用，是实现乐观锁的核心技术之一。
概念
CAS 是一种无锁算法，用于在多线程环境下对共享数据进行原子性更新。它通过比较内存中的值和预期值，如果两者相等，则将内存中的值更新为新值；如果不相等，则表示该值已经被其他线程修改，操作失败。整个比较和交换的过程是原子的，即在执行过程中不会被其他线程中断。
原理
CAS 操作通常需要三个参数：内存地址（V）、预期值（A）和新值（B）。其执行过程如下：
- 读取内存值：从内存地址 V 中读取当前的值。
- 比较：将读取到的当前值与预期值 A 进行比较。
- 交换：
- 如果当前值等于预期值 A，则将内存地址 V 中的值更新为新值 B，并返回操作成功。
- 如果当前值不等于预期值 A，则不进行更新操作，返回操作失败。
CAS 操作通常是由硬件层面提供支持，例如在 x86 架构中，有专门的指令来实现 CAS 操作，这保证了操作的原子性。
示例代码（使用 C++ 的 std::atomic 实现简单的 CAS 操作）
#include <iostream>
#include <atomic>
int main() {
std::atomic<int> value(10);
int expected = 10;
int new_value = 20;
// 执行 CAS 操作
bool success = value.compare_exchange_weak(expected, new_value);
if (success) {
std::cout << "CAS operation succeeded. New value: " << value << std::endl;
} else {
std::cout << "CAS operation failed. Current value: " << value << std::endl;
}
return 0;
}
代码解释
std::atomic<int> value(10)：定义了一个原子整数value，初始值为 10。value.compare_exchange_weak(expected, new_value)：执行 CAS 操作，比较value的当前值和expected的值。如果相等，则将value的值更新为new_value，并返回true；如果不相等，则将expected更新为value的当前值，并返回false。
优缺点
优点
- 无锁并发：CAS 是一种无锁算法，避免了传统锁机制带来的线程阻塞和上下文切换开销，提高了并发性能。
- 原子性：CAS 操作是原子的，保证了在多线程环境下对共享数据的安全访问。
- 避免死锁：由于不使用传统的锁机制，不会出现死锁的问题。
缺点
- ABA 问题：如果一个值从 A 变为 B，再从 B 变回 A，CAS 操作会认为值没有发生变化，从而继续执行更新操作，可能会导致一些潜在的问题。
- 自旋开销：在 CAS 操作失败时，通常需要进行自旋重试，这会消耗 CPU 资源，尤其是在竞争激烈的情况下，可能会导致性能下降。
- 只能保证单个变量的原子性：CAS 只能对单个变量进行原子操作，对于多个变量的原子操作，需要使用其他技术。
应用场景
- 实现乐观锁：在数据库和并发编程中，乐观锁通常使用 CAS 操作来实现。在更新数据时，先读取数据的版本号或值，然后在更新时检查该值是否发生变化，如果没有变化则进行更新操作。
- 实现并发数据结构：许多并发数据结构，如并发队列、并发栈等，都可以使用 CAS 操作来实现无锁算法，提高并发性能。
- 线程安全计数器：在多线程环境下，使用 CAS 操作可以实现线程安全的计数器，避免使用锁带来的性能开销。
原文地址：https://blog.csdn.net/doubleintfloat/article/details/146435098
免责声明：本站文章内容转载自网络资源，如侵犯了原著者的合法权益，可联系本站删除。更多内容请关注自学内容网（zxcms.com）！