CAS操作的底层原理（总线锁定机制和缓存锁定机制 ）

目录

处理器级别的实现

总线锁定机制

缓存锁定机制

MSEI表示缓存行的四种状态

MESI协议状态转换

CAS操作是不保证可见性的

CAS基本概念

ABA问题的处理

性能考虑

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先总结一下，CAS（Compare And Swap）是一种原子操作，它比较当前内存值与期望值，如果相等则更新为新值，CAS是一种硬件级的原子操作，通过总线锁或缓存锁实现原子性，在使用缓存锁的时候缓存一致性协议保证数据一致性。

而Java通过native方法调用底层CAS指令，需要考虑ABA问题和性能优化，而cas这种机制保证了在多处理器系统中的原子操作，是实现无锁并发的基础。

处理器级别的实现

x86汇编中的CMPXCHG指令示例

lock cmpxchg 内存地址, 新值

处理器通过特殊的指令（如x86的CMPXCHG）来实现CAS操作，并使用LOCK前缀保证操作的原子性。

总线锁定机制

CPU1 ----┐

CPU2 ----├── 总线 -----> 内存

CPU3 ----┘

↑

LOCK信号

当一个CPU发出LOCK信号时，其他CPU无法通过总线访问内存，保证了操作的原子性。但这种方式开销较大。

缓存锁定机制

CPU1 Cache 数据A: M ─┐

CPU2 Cache 数据A: I ─┼── 总线 ──> 内存数据A

CPU3 Cache 数据A: I ─┘

使用缓存一致性协议（MESI），通过缓存状态控制来保证原子性，效率更高。

MSEI表示缓存行的四种状态

M(Modify)表示共享数据只缓存在当前 CPU 缓存中， 并且是被修改状态，也就是缓存的数据和主内存中的数据不一致

E(Exclusive)表示缓存的独占状态，数据只缓存在当前 CPU 缓存中，并且没有被修改

S(Shared)表示数据可能被多个 CPU 缓存，并且各个缓存中的数据和主内存数据一致

I(Invalid)表示缓存已经失效

MESI协议状态转换

CPU1执行CAS：

1. 发出监听请求

2. 等待其他CPU响应

3. 确认无冲突后执行

4. 广播状态变更

CPU在读取一个数据时会先发起监听，去监听其他CPU的对这个数据缓存行的状态。

如果本CPU缓存行状态是I，则需要从内存中读取，并把缓存行状态置为S。

如果本CPU缓存行的状态不是I，则可以直接读取缓存中的值，如果其他CPU也有该数据的缓存且状态是M，则需要等待其把缓存更新到内存后再读取。

CPU更新了缓存行的状态了之后会发广播来更新其他CPU的缓存行状态。

CAS操作是不保证可见性的

这一点要特别注意，CAS的操作是不保证可见性的，可见性是实现CAS操作的前提，如果连可见性都保证不了，这又怎么实现CAS操作？

CAS操作通常与volatile配合使用，通过内存屏障保证可见性。

CAS基本概念

// CAS操作的伪代码
public boolean compareAndSet(int expectedValue, int newValue) {
    // 原子操作，比较并交换
    // V是要更新的变量，E是期望值，N是新值
    if (V == expectedValue) {
        V = newValue;
        return true;
    }
    return false;
}

CAS（Compare And Swap）是一种原子操作，它比较当前内存值与期望值，如果相等则更新为新值。

ABA问题的处理

public class AtomicStampedReference<V> {
    private static class Pair<T> {
        final T reference;
        final int stamp;
        
        private Pair(T reference, int stamp) {
            this.reference = reference;
            this.stamp = stamp;
        }
    }
}

ABA是CAS操作的经典问题了，可以通过版本号或时间戳解决ABA问题。

性能考虑

// 自旋等待示例
public void spinLock() {
    while (!cas.compareAndSet(false, true)) {
        // 自旋等待
        Thread.onSpinWait(); // Java 9+
    }
}

CAS失败时通常采用自旋等待，需要考虑自旋次数和退避策略。