CAS原理分析及ABA问题详解

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分类专栏： linux编程文章标签：并发编程

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CAS原理分析及ABA问题详解

compare and swap, CAS
内容来源
wait-free lock-free
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compare and swap, CAS

比较并交换(compare and swap, CAS)，是原子操作的一种，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。

概述

一个CAS操作的过程可以用以下c代码表示:

int cas(long *addr, long old, long new)
{
    /* Executes atomically. */
    if(*addr != old)
        return 0;
    *addr = new;
    return 1;
}

在使用上，通常会记录下某块内存中的旧值，通过对旧值进行一系列的操作后得到新值，然后通过CAS操作将新值与旧值进行交换。如果这块内存的值在这期间内没被修改过，则旧值会与内存中的数据相同，这时CAS操作将会成功执行使内存中的数据变为新值。如果内存中的值在这期间内被修改过，则一般来说旧值会与内存中的数据不同，这时CAS操作将会失败，新值将不会被写入内存。

应用

在应用中CAS可以用于实现无锁数据结构，常见的有无锁队列（先入先出）以及无锁栈（先入后出）。对于可在任意位置插入数据的链表以及双向链表，实现无锁操作的难度较大。

我们知道CAS操作并不会锁住共享变量，也就是一种非阻塞的同步机制，CAS就是乐观锁的实现。
乐观锁
乐观锁总是假设最好的情况，每次去操作数据都认为不会被别的线程修改数据，所以在每次操作数据的时候都不会给数据加锁，即在线程对数据进行操作的时候，别的线程不会阻塞仍然可以对数据进行操作，只有在需要更新数据的时候才会去判断数据是否被别的线程修改过，如果数据被修改过则会拒绝操作并且返回错误信息给用户。
悲观锁
悲观锁总是假设最坏的情况，每次去操作数据时候都认为会被的线程修改数据，所以在每次操作数据的时候都会给数据加锁，让别的线程无法操作这个数据，别的线程会一直阻塞直到获取到这个数据的锁。这样的话就会影响效率，比如当有个线程发生一个很耗时的操作的时候，别的线程只是想获取这个数据的值而已都要等待很久。

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。

对于P1来说，数值A未发生过改变，但实际上A已经被变化过了，继续使用可能会出现问题。在CAS操作中，由于比较的多是指针，这个问题将会变得更加严重。试想如下情况：

   top
    |
    V   
  0x0014
| Node A | --> |  Node X | --> ……

有一个栈(先入后出)中有top和节点A，节点A目前位于栈顶top指针指向A。现在有一个进程P1想要pop一个节点，因此按照如下无锁操作进行

pop()
{
  do{
    ptr = top;            // ptr = top = NodeA
    next_prt = top->next; // next_ptr = NodeX
  } while(CAS(top, ptr, next_ptr) != true);
  return ptr;   
}

而进程P2在执行CAS操作之前打断了P1，并对栈进行了一系列的pop和push操作，使栈变为如下结构：

   top
    |
    V  
  0x0014
| Node C | --> | Node B | --> |  Node X | --> ……

进程P2首先pop出NodeA，之后又push了两个NodeB和C，由于内存管理机制中广泛使用的内存重用机制，导致NodeC的地址与之前的NodeA一致。
这时P1又开始继续运行，在执行CAS操作时，由于top依旧指向的是NodeA的地址(实际上已经变为NodeC)，因此将top的值修改为了NodeX，这时栈结构如下：

                                   top
                                    |
   0x0014                           V
 | Node C | --> | Node B | --> |  Node X | --> ……

经过CAS操作后，top指针错误地指向了NodeX而不是NodeB。

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。
C++11，STL提供了atomic系列函数。

CAS的缺点

CAS虽然高效的实现了原子性操作，但是也存在一些缺点，主要表现在以下三个方面。
ABA问题
在多线程场景下CAS会出现ABA问题，关于ABA问题这里简单科普下，例如有2个线程同时对同一个值(初始值为A)进行CAS操作，这三个线程如下
线程1，期望值为A，欲更新的值为B
线程2，期望值为A，欲更新的值为B
线程1抢先获得CPU时间片，而线程2因为其他原因阻塞了，线程1取值与期望的A值比较，发现相等然后将值更新为B，然后这个时候出现了线程3，期望值为B，欲更新的值为A，线程3取值与期望的值B比较，发现相等则将值更新为A，此时线程2从阻塞中恢复，并且获得了CPU时间片，这时候线程2取值与期望的值A比较，发现相等则将值更新为B，虽然线程2也完成了操作，但是线程2并不知道值已经经过了A->B->A的变化过程。
ABA问题带来的危害：
小明在提款机，提取了50元，因为提款机问题，有两个线程，同时把余额从100变为50
线程1（提款机）：获取当前值100，期望更新为50，
线程2（提款机）：获取当前值100，期望更新为50，
线程1成功执行，线程2某种原因block了，这时，某人给小明汇款50
线程3（默认）：获取当前值50，期望更新为100，
这时候线程3成功执行，余额变为100，
线程2从Block中恢复，获取到的也是100，compare之后，继续更新余额为50！！！
此时可以看到，实际余额应该为100（100-50+50），但是实际上变为了50（100-50+50-50）这就是ABA问题带来的成功提交。
解决方法：
在变量前面加上版本号，每次变量更新的时候变量的版本号都+1，即A->B->A就变成了1A->2B->3A。

循环时间长开销大
如果CAS操作失败，就需要循环进行CAS操作(循环同时将期望值更新为最新的)，如果长时间都不成功的话，那么会造成CPU极大的开销。
这种循环也称为自旋
解决方法：
限制自旋次数，防止进入死循环。

只能保证一个共享变量的原子操作
CAS的原子操作只能针对一个共享变量。
解决方法：
如果需要对多个共享变量进行操作，可以使用加锁方式(悲观锁)保证原子性，或者可以把多个共享变量合并成一个共享变量进行CAS操作。