Golang CAS

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CAS CAS(Compare And Swap)是 CPU 提供的最基本的原子操作指令，用来实现 Mutex、自旋锁等基础语言组件。本文介绍 Go 中 CAS 的基本使用方法。

使用示例

sync.atomic包中的函数声明：func CompareAndSwapInt32(addr *int32, old, new int32) (swapped bool)

// 实现多个携程同时累积增 1 的功能
func main() {
  var wg sync.WaitGroup
  var gInt int32

  for i := 0; i < 100; i++ {
    go func(){
      for {
          temp = atomic.LoadInt32(&gInt)
          if ret := atomic.CompareAndSwapInt64(&gInt, temp, temp + 1); ret {
            log.Println("gint from ", temp, "to", temp + 1)
            break;
          }
      }

	    wg.Done()
    }()
  }

  wg.Wait()
  log.Println("last gint:", gInt)
}
  • 上面”增 1”的动作如果用gInt++是无法实现的，因为在底层被编译为三行代码：tmp := gInt; tmp = tmp + 1; gInt = tmp;，并发下会发生最终总数偏小的情况。

CAS 特性

  • CAS 四个要素：地址(用于指定变量)、旧值(用于计算)、期望值(用于检查)、新值(检查成功后写入)
  • CAS 是由 CPU 底层指令实现的，所以效率极高，在 Intel x86 平台对应cmpxchg指令
  • 利用 CAS 可以实现乐观锁(自旋重试)，比用 Mutex 在大并发下效率更高
  • 高并发下，自旋会消耗 CPU，所以实现 Mutex 时，如果多次自旋未果则进入阻塞状态

  • CAS 只支持一个变量的操作，不支持多个变量的操作，如果需要操作多个变量可以用 sync.Mutex

  • 多核 CPU 下cmpxchg指令如何保证线程安全？ 系统底层进行 CAS 操作时，会检查当前系统是否为多核，如果是多核，则给”总线”加锁，只有一个线程可以加锁成功，再执行 CAS 操作。

  • ABA 问题 利用 CAS 做乐观锁可能发生 ABA 问题。如果某线程load变量值为A，然后该值被另一条线程改为B又改为A，则最初的线程CAS时无法判断是否被修改过，在某些情况下会引起问题。这时需增加一个版本号，在 CAS 时只有版本号检查通过才算成功
    • 乐观锁实现要点：对象指针、版本号形成一个 pair，对 pair 进行原子操作
    • 也利用 unsafe.Pointer 避免 ABA 问题func CompareAndSwapPointer(addr *unsafe.Pointer, old, new unsafe.Pointer) (swapped bool)
    • 如果只是对某个变量 +-1，这种 ABA 其实没什么问题
    • 也可以用 Mutex 解决 ABA 问题