Golang之CAS算法（compare and swap）

Golang之CAS算法（compare and swap）

CAS算法（compare and swap）

CAS算法是一种有名的无锁算法。无锁编程，即不使用锁的情况下实现多线程之间的变量同步，也就是在没有线程被阻塞的情况下实现变量的同步，所以也叫非阻塞同步（Non-blocking Synchronization）。CAS算法涉及到三个操作数

• 需要读写的内存值V

• 进行比较的值A

• 拟写入的新值B

  当且仅当 V 的值等于 A时，CAS通过原子方式用新值B来更新V的值，否则不会执行任何操作（比较和替换是一个原子操作）。一般情况下是一个自旋操作，即不断的重试。

CAS算法（Compare And Swap）,是原子操作的一种, CAS算法是一种有名的无锁算法。无锁编程，即不使用锁的情况下实现多线程之间的变量同步，也就是在没有线程被阻塞的情况下实现变量的同步，所以也叫非阻塞同步（Non-blocking Synchronization）。可用于在多线程编程中实现不被打断的数据交换操作，从而避免多线程同时改写某一数据时由于执行顺序不确定性以及中断的不可预知性产生的数据不一致问题。

该操作通过将内存中的值与指定数据进行比较，当数值一样时将内存中的数据替换为新的值。

Go中的CAS操作是借用了CPU提供的原子性指令来实现。CAS操作修改共享变量时候不需要对共享变量加锁，而是通过类似乐观锁的方式进行检查，本质还是不断的占用CPU 资源换取加锁带来的开销（比如上下文切换开销）。

package main

import (
	"fmt"
	"sync"
	"sync/atomic"
)

var (
	counter int32          //计数器
	wg      sync.WaitGroup //信号量
)

func main() {
	threadNum := 5
	wg.Add(threadNum)
	for i := 0; i < threadNum; i++ {
		go incCounter(i)
	}
	wg.Wait()
}

func incCounter(index int) {
	defer wg.Done()

	spinNum := 0
	for {
		// 原子操作
		old := counter
		ok := atomic.CompareAndSwapInt32(&counter, old, old+1)
		if ok {
			break
		} else {
			spinNum++
		}
	}
	fmt.Printf("thread,%d,spinnum,%d\n", index, spinNum)
}

当主函数main首先创建了5个信号量，然后开启五个线程执行incCounter方法,incCounter内部执行, 使用cas操作递增counter的值，atomic.CompareAndSwapInt32具有三个参数，第一个是变量的地址，第二个是变量当前值，第三个是要修改变量为多少，该函数如果发现传递的old值等于当前变量的值，则使用第三个变量替换变量的值并返回true，否则返回false。

这里之所以使用无限循环是因为在高并发下每个线程执行CAS并不是每次都成功，失败了的线程需要重写获取变量当前的值，然后重新执行CAS操作。读者可以把线程数改为10000或者更多就会发现输出thread,5329,spinnum,1其中这个1就说明该线程尝试了两个CAS操作，第二次才成功。

因此呢, go中CAS操作可以有效的减少使用锁所带来的开销，但是需要注意在高并发下这是使用cpu资源做交换的。

CAS是如何运行的

我们有两个goroutineA和goroutineB，接下来我们简称 A 和 B， 共享资源称为C

1. 1. A 和 B 均保存 C 当前的值
   2. A 尝试使用CAS（56，53）更新C的值
   3. C目前为56，可以更新，然后更新成功
   4. B尝试使用CAS（56，53）更新C的值
   5. C已经为53，更新失败。

2. 

Go中的CAS源码

// CompareAndSwapUint32 executes the compare-and-swap operation for a uint32 value.
func CompareAndSwapUint32(addr *uint32, old, new uint32) (swapped bool)

实际代码文件在

Go / src / runtime / internal / atomic / asm_amd.s文件中

TEXT runtime∕internal∕atomic·Cas64(SB), NOSPLIT, $0-25
 MOVQ ptr+0(FP), BX
 MOVQ old+8(FP), AX
 MOVQ new+16(FP), CX
 LOCK
 CMPXCHGQ CX, 0(BX)
 SETEQ ret+24(FP)
 RET

其中我们可以看作
lock(一个命令前缀，在这里用于CMPXCHGQ)可以锁住总线保证多次内存操作的原子性。
然后执行CMPXCHGQ

cmpxchg %cx, %bx；如果AX与BX相等，则CX送BX且ZF置1；否则BX送CX，且ZF清0

1. 1. 拿AX(old) 与 BX(共享数据ptr) 做对比。
   2. 相等，则修改BX(共享数据ptr)，状态码ZX设置为 1 。
   3. 不相等，则将CX(new)置为目前BX(共享数据ptr)的值， 状态码ZX设置为 0

CAS的缺陷

1. 1. CAS在共享资源竞争比较激烈的时候，每个goroutine会容易处于自旋状态，影响效率，在竞争激烈的时候推荐使用锁。
   2. 无法解决ABA问题
      ABA问题是无锁结构实现中常见的一种问题，可基本表述为：

进程P1读取了一个数值A
P1被挂起(时间片耗尽、中断等)，进程P2开始执行
P2修改数值A为数值B，然后又修改回A
P1被唤醒，比较后发现数值A没有变化，程序继续执行。