Linux C/C++并发编程实战（7）并发安全手段CAS机制

CAS定义

CAS，是Compare and Swap的简称。

CAS 操作涉及三个参数：

• 内存地址 V，
• 旧的预期值 A
• 新的值 B。

执行 CAS 操作时，首先比较内存地址 V 中的值与预期值 A 是否相等，如果相等，则将新的值 B 更新到内存地址 V 中，否则不做任何操作。无论操作是否成功，都会返回当前内存地址 V 的值。

CAS 机制的基本流程如下：

1. 读取内存地址 V 的当前值，保存为当前预期值 A。
2. 判断当前预期值 A 是否与内存地址 V 中的值相等。
3. 如果相等，将新的值 B 写入内存地址 V。
4. 返回当前内存地址 V 的值。

如果在判断相等和写入新值的过程中，内存地址 V 的值发生了改变，说明有其他线程同时修改了该内存地址，CAS 操作将失败。此时，可以选择重新尝试 CAS 操作，或者采取其他处理方式。

CAS 机制的优点是可以避免锁的使用，减少了线程间的竞争，提高了程序的并发性能。然而，CAS 也有一些限制和注意事项：

• ABA 问题：如果内存地址 V 的值在读取和写入之间发生了两次变化，CAS 操作无法察觉到这种情况。为了解决 ABA 问题，可以使用版本号等方式来增加额外的检查。
• 自旋开销：如果 CAS 操作失败，线程需要不断重试，这会造成一定的自旋开销。在高并发场景下，如果自旋时间过长，可能会降低程序的性能。
• 只能操作单个变量：CAS 只能对单个变量进行操作，无法实现对多个变量的原子操作。

CAS 机制在许多并发编程框架和算法中得到广泛应用，如无锁数据结构、乐观并发控制等。它提供了一种高效的并发编程方式，可以有效地解决多线程环境下的竞争问题。

C++接口

在 C++11 中，CAS（Compare and Swap）操作被称为原子操作，通过 <atomic> 头文件提供了一组原子操作的接口。以下是 C++11 提供的 CAS 接口：

1. std::atomic：模板类 std::atomic 是 C++11 提供的原子类型模板类，可以用于定义原子变量。它支持各种原子操作，包括加载、存储和交换等。
2. T std::atomic_exchange(std::atomic* obj, T desired)：该函数用于原子地将 obj 中的值替换为 desired，并返回 obj 原来的值。
3. bool std::atomic_compare_exchange_weak(std::atomic* obj, T expected, T desired)*：该函数用于比较 obj 中的值与 expected 是否相等，如果相等，则将 obj 中的值替换为 desired，并返回 true；否则，将 expected 更新为 obj 的当前值，并返回 false。
4. bool std::atomic_compare_exchange_strong(std::atomic* obj, T expected, T desired)*：与 std::atomic_compare_exchange_weak 类似，不同之处在于该函数使用强一致性的方式进行比较和替换操作。

这些接口提供了原子操作的基本功能，可以用于实现 CAS 操作。使用原子类型和原子操作可以确保在多线程环境中对变量的访问和修改都是原子性的，避免了数据竞争问题。

以下是一个简单示例，展示了如何使用 C++11 的原子操作来实现 CAS 操作：

#include <atomic>

std::atomic<int> value(0);  // 定义一个原子变量

int main() {
  int expected = 0;
  int desired = 1;

  // 使用 atomic_compare_exchange_weak 实现 CAS
  while (!value.compare_exchange_weak(expected, desired)) {
    // CAS 失败，更新 expected 为当前值，继续循环尝试
    desired = expected + 1;
  }

  return 0;
}

在上述示例中，std::atomic<int> 定义了一个原子变量 value。接下来，使用 compare_exchange_weak 函数进行 CAS 操作，不断对 value 进行比较和替换，直到 CAS 操作成功。

需要注意的是，CAS 操作可能会失败，因此需要在循环中进行重试，直到 CAS 操作成功为止。这样可以确保在多线程环境中保持数据的一致性。