CAS 无锁机制

最新推荐文章于 2024-11-26 09:30:00 发布
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本文介绍了CAS算法的基础知识，包括其实现原理、三个操作数及其工作流程。同时对比了CAS与Synchronize关键字、Lock锁的不同之处，并详细阐述了CAS算法的优缺点。

目录

参考链接

面试必备：CAS无锁机制

CAS无锁机制和AQS

CAS无锁机制

不可不说的Java“锁”事

基础知识

保证多线程安全有三种方式：

使用Synchronize关键字

  • 使用了Synchronize加锁后的多线程相当于串行，执行效率并不是太高
  • 思想上：Synchronized属于 悲观锁，悲观地认为程序中的并发情况严重，所以严防死守

Lock锁

  • 在高并发场景下使用，Lock锁底层就是通过 AQS+CAS机制 实现的，属于 悲观锁

Atomic 原子类

  • 使用Java并发包（java.util.concurrent）下的Atomic 原子类是基于 CAS无锁算法 实现了乐观锁
  • jdk1.5增加了并发包 java.util.concurrent.*，其下面的类使用CAS算法实现了 区别于synchronized同步锁 的一种乐观锁

CAS 算法

CAS全称 Compare And Swap（比较与交换），是一种无锁算法

三个操作数

  • 需要读写的内存值 V
  • 进行比较的值 A
  • 要写入的新值 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（“比较+更新”整体是一个原子操作），否则不会执行任何操作

一般情况下，“更新”是一个不断重试的操作：

  • CAS操作是抱着乐观的态度进行的，它总是认为自己可以成功完成操作
  • 当多个线程同时使用CAS操作一个变量时，只有一个会胜出，并成功更新，其余均会失败
  • 失败的线程不会被挂起，仅是被告知失败，并且允许再次尝试，当然也允许失败的线程放弃操作
  • 基于这样的原理，CAS操作即使没有锁，也可以发现其他线程对当前线程的干扰，并进行恰当的处理

优缺点

  • 缺点
    • CPU开销比较大：在并发量比较高的情况下，如果线程反复尝试更新一个变量，却又一直更新不成功，循环往复，会给CPU带来很大的压力
    • 只能保证一个共享变量的原子操作：无法确保整个代码块的原子性，也就是在需要保证2个及以上变量共同进行原子性的更新时，就不得不使用Synchronized
    • ABA问题：假设有一个变量 A ，经修改后变为B，然后又修改为 A，实际已经修改过了，但 CAS操作就会误任务它从来没有被修改过，造成了不合理的值修改操作
      • 解决方案是：使用版本号，在 变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加一，那么 从“A－B－A”变成了“1A－2B－3A”
      • java并发包提供了一个带有标记的原子应用类AtomicStampedRefernce，它可以通过变量值的版本来保证CAS的正确性
  • 优点
    • 在一般情况下，性能优先于锁的使用
    • 与锁相比，使用比较交换会使程序看起来更加复杂一些。但由于其 非阻塞性，它对死锁问题天生免疫，并且，线程间的相互影响也远远比基于锁的方式要小
    • 更为重要的是，使用无锁的方式 完全没有锁竞争带来的系统开销，也没有线程间频繁调度带来的开销
深入理解无锁算法(CAS)
wh柒八九的博客
04-10 2349
文章目录 无锁算法
无锁CAS/无锁队列
Xinyue_Lu的博客
10-18 1064
高并发，读写十分频繁，会使用CAS 1 互斥锁 自旋锁 原子操作 锁住的代码耗时短：counter++操作，自旋锁有优势 锁住的代码耗时长：for_add操作，自旋锁无优势【因为在等待的时候消耗的CPU资源比较多，做的无用功比较多】 如何选择不同的锁？共享区域的粒度：线程切换会耗时，如果粒度小，spinlock时间小于CPU线程切换时间损耗，则有优势 mutex 共享区域运行时间比较长（如果获取不到锁，会让出CPU） spinlock 执行的语句少，非阻塞（获取不到锁，就一直检...
深入剖析CAS：无锁并发编程的核心机制与实际应用
hikktn的博客
10-21 959
CAS（Compare-And-Swap，比较并交换）是现代并发编程中的一种无锁机制，广泛用于实现多线程的安全操作。CAS的基本原理是通过比较当前值与预期值是否一致，来决定是否更新内存中的值。CAS通过硬件支持，在处理器层面提供原子操作，因此避免了传统锁的开销。它是Java中无锁算法（如包中的Atomic类）实现的基础。CAS是无锁编程的核心思想，通过硬件支持的原子操作避免了锁的开销。
无锁CAS
locahuang的博客
12-11 481
一、自旋锁 1.1 自旋锁定义 自旋锁是专为防止多处理器并发而引入的一种锁，它在内核中大量应用于中断处理等部分（对于单处理器来说，防止中断处理中的并发可简单采用关闭中断的方式，即在标志寄存器中关闭/打开中断标志位，不需要自旋锁）。 自旋锁是为实现保护共享资源而提出一种锁机制。其实，自旋锁与互斥锁比较类似，它们都是为了解决对某项资源的互斥使用。无论是互斥锁，还是自旋锁，在任何时刻，最多只能有一个保持者。也就是说，在任何时刻最多只能有一个执行单元获得锁。 1.2 自旋锁的基本形式 #include <p
CAS无锁机制
迟到的help的博客
06-02 851
什么是CAS？ CAS：Compare and Swap，即比较再交换。 jdk5增加了并发包java.util.concurrent.*,其下面的类使用CAS算法实现了区别于synchronouse同步锁的一种乐观锁。JDK 5之前Java语言是靠synchronized关键字保证同步的，这是一种独占锁，也是是悲观锁。 CAS算法理解 对CAS的理解，CAS是一种无锁算法，CAS有3个操作数，内存值V，旧的预期值A，要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值V修改为B，否则什.
CAS无锁算法.pdf
05-14
CAS无锁算法是一种在多线程环境下用于实现同步的技术，它与传统的锁机制相比，有其独特的优点和应用场景。CAS是英文“Compare and Swap”的缩写，中文含义为“比较并交换”。该算法通过比较变量的预期值与当前值，若...
C++ 原子操作CAS和lockless无锁队列
qq_34999565的博客
03-07 5915
原子操作 我们通常语义下是指不能被进一步分割的最小粒子，而在计算机中的原子操作一般是指“不可被中断的一个或一系列操作”，或者说是：多个线程执行一个操作，其中任何一个线程要么完全执行完这些操作，要么没有执行这个操作的任何一个步骤。 在单核处理器系统中，能够在单条指令中完成的操作都可以认为是“原子操作”，因为在单条指令的执行过程中不会被中断。但是在多核时代，可能同时运行多个独立的CPU，即使是可以在单个指令中完成的操作也有可能会被干扰。举个例子，decl指令（递减指令），它可以分为三步：读，递减，写，这个.
基于cas的无锁队列实现
05-20
在这个场景中，我们将深入探讨如何在C++中基于CAS实现一个无锁队列，并分析其背后的并发原理。 ### 一、CAS（Compare and Swap）操作 CAS是一种无锁算法的基础，它包含三个操作数：内存位置（V）、旧值（A）和新值...
无锁之CAS
【欢迎关注公众号：冬瓜白】
09-06 1442
在并发控制中锁是一种策略，而无锁属于一种乐观的策略，它会假设对资源的访问时没有冲突的，没有冲突就意味着不需要等待，所有线程都可以在不停顿的状态下继续执行。如果遇到冲突无锁的使用策略就是使用CAS来鉴别线程冲突，一旦检测到冲突产生，就重试当前操作直到没有冲突为止。 CAS:Compare and Swap, 翻译成比较并交换。 JUC中借助CAS实现了区别于synchronouse同步锁的一种乐观...
CAS无锁机制介绍和实现原理
java架构师分享,有问题可以联系我
03-24 893
CAS无锁机制介绍和实现原理
无锁机制----比较交换CAS Compare And Swap
木牛的博客
08-31 681
一、锁与共享变量 加锁是一种悲观的策略，它总是认为每次访问共享资源的时候，总会发生冲突，所以宁愿牺牲性能（时间）来保证数据安全。 无锁是一种乐观的策略，它假设线程访问共享资源不会发生冲突，所以不需要加锁，因此线程将不断执行，不需要停止。一旦碰到冲突，就重试当前操作直到没有冲突为止。 无锁的策略使用一种叫做比较交换的技术（CASCompare And Swap）来鉴别线程冲突，一旦检测到冲突产生，就重试当前操作直到没有冲突为止。 二、无锁如何鉴别冲突 ...
java基础(四) 线程(6)AtomicInteger原子类
恶心的小达达
03-13 219
CAS无锁机制 （1）与锁相比，使用比较交换（下文简称CAS）会使程序看起来更加复杂一些。但由于其非阻塞性，它对死锁问题天生免疫，并且，线程间的相互影响也远远比基于锁的方式要小。更为重要的是，使用无锁的方式完全没有锁竞争带来的系统开销，也没有线程间频繁调度带来的开销，因此，它要比基于锁的方式拥有更优越的性能。 （2）无锁的好处： 第一，在高并发的情况下，它比有锁的程序拥有更好的性能； 第二...
面试必备：CAS无锁机制
niceyoo的博客
04-12 501
CAS无锁机制原理，面试高频问题之一，其实，日常开发中并不会直接使用CAS无锁机制，都是通过一系列封装好的工具类来使用， 说不定面试官不提问，都不知道有这么个东西存在。 1、能说一下你对CAS的理解吗？ 参考回答： 通常我们提到保证多线程安全，会想到三种方式，一是使用Synchronize关键字，但是有个问题就是，使用了Synchronize加锁后的多线程相当于串行，执行效率并不是...
深入理解无锁编程：CAS 的原理、实现与应用实战
hello.reader
11-26 3380
无锁编程（Lock-Free Programming）是一种高效的多线程编程范式，旨在避免使用传统的锁机制（如互斥锁）来协调线程间的并发操作。CAS 是现代并发编程中的核心技术之一，既是无锁编程的重要工具，也是高性能计算的基石。随着多核处理器的普及，硬件性能的提升以及高并发场景需求的增加，无锁编程逐渐成为并发编程的重要方向。在无锁编程的领域中，CAS（Compare-And-Swap）是一种高效、非阻塞的原子操作，广泛用于解决多线程编程中的数据一致性问题。在多线程环境中维护一个计数器是最典型的应用场景。
CAS（Compare-and-Swap）操作是一种无锁机制，用于实现多线程环境下的数据一致性和线程安全性
BLOG域名:programb.blog.youkuaiyun.com
03-08 1424
CAS操作是一种强大的工具，用于实现多线程环境下的数据一致性和线程安全性。然而，它并不是万能的，需要仔细考虑其适用场景和潜在问题。在使用CAS操作时，需要注意ABA问题、自旋与重试策略以及与其他同步机制的结合使用。当然，我会继续为您深入介绍CAS操作的优缺点、常见应用场景以及如何合理使用CAS。CAS操作是一种强大的并发控制工具，能够在多线程环境中提供原子性的数据更新和线程安全的数据访问。然而，它并不是万能的，需要仔细考虑其适用场景和潜在问题。
CAS无锁实现原理以及ABA问题
weixin_33967071的博客
11-28 440
       CAS（比较与交换，Compare and swap） 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）。实现非阻塞同步的方案称为“无锁编程算法”（ Non-blocking algorithm）。 为什么要用CAS       ...
什么是CAS无锁队列
最新发布
03-21
### CAS无锁队列的原理 CAS（Compare And Swap）是一种常见的原子操作，广泛应用于实现无锁数据结构。其核心思想是比较内存中的某个位置上的值是否等于预期值，如果相等，则将其替换为新值；如果不相等，则不做任何修改[^1]。这种机制确保了即使在多线程环境下也能安全地更新共享资源。 #### 无锁队列的核心概念 无锁队列的设计目标是在不依赖互斥锁的情况下完成入队和出队操作。它通过使用原子操作来协调多个线程之间的访问冲突，从而避免因锁竞争而导致的性能瓶颈[^3]。具体来说： - **入队操作**：当一个线程尝试向队列中添加元素时，会先获取当前尾指针的位置，并将新的节点附加到该位置上。随后，通过CAS指令更新尾指针指向新增加的节点。 - **出队操作**：对于移除元素的操作，线程需要找到头指针对应的节点，并通过CAS指令将其标记为空闲状态或者直接删除。之后调整头指针至下一个有效节点。 这些过程均需借助于底层硬件支持的原子级比较交换功能来保障一致性[^2]。 ### 实现细节分析 以下是基于单生产者/消费者模型的一个简单版本C++代码示例展示如何利用标准库提供的`std::atomic`类配合自定义逻辑构建基本形式下的无锁环形缓冲区(queue): ```cpp #include <iostream> #include <atomic> template<typename T, size_t N> class LockFreeQueue { private: struct Node { std::atomic<T*> value; bool used; Node() : value(nullptr), used(false) {} }; alignas(64) std::array<Node, N> buffer; // Cache line padding to prevent false sharing. std::atomic<size_t> head; std::atomic<size_t> tail; public: explicit LockFreeQueue():head{0},tail{0}{} ~LockFreeQueue(){ clear(); } void enqueue(T* item){ while(true){ auto t=tail.load(std::memory_order_acquire); const auto next=(t+1)%N; if(head.load(std::memory_order_relaxed)==t && !buffer[t].used){ if(tail.compare_exchange_weak(t,next,std::memory_order_release)){ buffer[next].value.store(item,std::memory_order_release); buffer[next].used=true; break; } }else{ // Queue is full or race condition occurred. continue; } } } T* dequeue(){ while(true){ auto h=head.load(std::memory_order_acquire); if(h==tail.load(std::memory_order_acquire))return nullptr;//queue empty. const auto index=h%N; if(buffer[index].used && (h==head.exchange((h+1)%N,std::memory_order_acq_rel))){ T *res=buffer[index].value.exchange(nullptr,std::memory_order_release); buffer[index].used=false; return res; } } } void clear(){ while(auto p=dequeue())delete p; } }; ``` 上述代码片段展示了如何创建一个固定大小的循环数组作为存储容器，并采用两个独立计数器分别追踪生产和消费进度。每次执行插入或提取动作前都会验证当前位置的状态以决定下一步行动方案，整个流程完全依靠CAS命令维持同步关系而不涉及显式的锁定机制。 ### 性能考量 相比传统的带锁方法，无锁算法减少了由于频繁请求获得独占权限所引发的时间消耗以及可能存在的死锁风险等问题。然而值得注意的是，在极高负载条件下也可能出现所谓的ABA问题——即某些特定序列变化可能导致误判情况发生，因此实际应用时常还需引入额外辅助手段加以防范。
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