什么是CAS（Compare and Swap）

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CAS（Compare And Swap）是一种原子操作，用于保证在无锁情况下的数据一致性的问题。在无锁情况下，假设有两个线程 A 和 B，他们都读取某一个值 V，修改后再存回内存中，当它们并行执行时，就可能会引起数据 V 的不一致问题。

CAS 的具体操作是比较和替换，即第一步比较指定值和内存中的值是否一致，若一致则使用新值对内存值进行替换。

不一致问题的举例

假设有两个线程 A 和 B，它们分别对数据 V（值为100）执行加 10 和减 10 的操作，代码执行过程如下：

线程A对数据V的操作：

1. 从内存中读取数据 V（100）；
2. （在线程中）将数据 V加10；
3. 将加法的结果 V1（110）存入内存中原来的位置（替换掉旧的 V）。

线程 B 对数据 V 的操作：

1. 从内存中读取数据 V（100）；
2. （在线程中）将数据 V 减 10；
3. 将减法的结果 V2（90）存入内存中原来的位置（替换掉旧的 V）。

假设这两个线程并发执行，且 A 首先获得 CPU 时间片，在 A 的 CPU 时间内，它先读取数据 V 的值，并将其进行了加法操作，获得数据 V1（110）。此时，A 的 CPU 时间片结束，线程 B 开始执行。B 将数据 V 读入（此时数据V未被改动），并执行了减法操作，获得数据 V2（90）。此时，B 的 CPU 时间片结束，线程 A 继续执行，A 将 V1（110）存入内存，A 线程结束。B 继续执行，B 将 V2（90）存入内存，B 线程结束。

我们可以看到，此时内存中的数据 V 已经变成了 V2（90），与我们原先以为的100（加十减十）预期不同，造成了数据不一致的问题。

使用CAS解决数据不一致问题

CAS 可以用于解决上述数据不一致问题，假设线程 A 和 B 都使用了 CAS 方式，那么他们的执行步骤为：

线程 A 对数据 V 的操作：

1. 从内存中读取数据 V（100）；
2. （在线程中）将数据 V 加 10；
3. 执行 CAS 操作，比较第一步读取的 V 值（100）与现在内存中的 V 值是否相等，若相等则继续；否则返回执行第一步；
4. 将加法的结果 V1（110）存入内存中原来的位置（替换掉旧的 V）。

线程B对数据V的操作：

1. 从内存中读取数据 V（100）；
2. （在线程中）将数据 V 减 10；
3. 执行 CAS 操作，比较第一步读取的 V 值（100）与现在内存中的 V 值是否相等，若相等则继续；否则返回执行第一步；
4. 将减法的结果 V2（90）存入内存中原来的位置（替换掉旧的 V）。

流程修改后，在执行过程中，当 A 线程执行结束后，内存中的值已经变为 V1（110），线程B在存入新的值之前首先比较 V1 是否与 V 相同，因为内存中的值已经修改，所以线程B需要重新执行读取操作，从第一步重新执行，将 V1（110）减 10 在存入内存，得到 V（100）与预期一致，从而确保了数据的一致问题。

实现

CAS 操作基于 CPU 提供的原子操作指令实现。对于 Intel X86 处理器，可通过在汇编指令前增加 LOCK 前缀来锁定系统总线，使系统总线在汇编指令执行时无法访问相应的内存地址。而各个编译器根据这个特点实现了各自的原子操作函数。[1]

• C语言，C11 的头文件 stdatomic.h。由 GNU 提供了对应的 __sync 系列函数完成原子操作。
• C++11，STL 提供了 atomic 系列函数。
• JAVA，sun.misc.Unsafe 提供了 compareAndSwap 系列函数。
• C#，通过 Interlocked 方法实现。
• Go， 通过 import “sync/atomic” 包实现。
• Windows，通过 Windows API 实现了 InterlockedCompareExchangeXYZ 系列函数。

外部链接

• [1] 引用自 Wikipedia CAS 词条：https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%AF%94%E8%BE%83%E5%B9%B6%E4%BA%A4%E6%8D%A2#%E5%AE%9E%E7%8E%B0

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