CAS编程的优缺点[关闭]答案

【问题标题】：Advantages and disadvantages of CAS programming [closed]CAS编程的优缺点[关闭]
【发布时间】：2013-06-03 14:55:43
【问题描述】：

谁能给我总结一下比较和交换编程的优缺点？（例如多核 CPU 性能）

以下是 Java 中的示例：

/**
 * Atomically increments by one the current value.
 *
 * @return the updated value
 */
public final int incrementAndGet() {
    for (;;) {
        int current = get();
        int next = current + 1;
        if (compareAndSet(current, next))
            return next;
    }
}

=== 编辑===

请在单/核 CPU 中专门讨论这个问题。

【问题讨论】：

@Neyt：感谢您删除错误的标签，但请在有标签时添加正确的标签。有一个[compare-and-swap] 标签。
@PeterCordes 确实，没想到会有自己的标签，谢谢。
@Neyt：我不确定为什么 cmpxchg 也需要自己的标签，但 CAS 与 load-linked+store-conditional 是原子 RMW 操作的两个基本构建块；硬件通常提供一种或另一种。 en.wikipedia.org/wiki/Compare-and-swap 它确实带有特定于 CAS 的问题，例如 ABA 问题。因此，它不像硬件提供的每个可能的原子 RMW 都有标签那样随意（例如，x86 可以在没有 CAS 重试循环的情况下进行原子增量和各种其他事情。）

标签： java c++ lock-free compare-and-swap lockless

【解决方案1】：

优点：没有锁，因此没有死锁并且通常具有更好的可扩展性

缺点：饥饿的风险（除非算法也是免等待的，但一般情况并非如此）

edit:wait-free 算法在失去 CAS 比赛时会执行一些操作。而不是忙于尝试/启动。

【讨论】：

【解决方案2】：

只有在没有实现所需原子操作的内置语言的情况下，才在源代码中编写 CAS 重试循环。硬件（尤其是 x86）通常可以做得更好。

Java 的 AtomicInteger 具有 getAndIncrement() 和 incrementAndGet() 方法（至少从 Java 7 开始），这使得 JVM 可以轻松地将其 JIT 为 asm，这比实际的 CAS 重试更有效环形。这就像 C++11 的 std::atomic::fetch_add()。另见Practical uses for AtomicInteger。

在 x86 上，您希望您的 JVM 利用 x86 对该操作的硬件支持。如果您使用直接映射到它的函数而不是 CAS，则更有可能发生这种情况- 优化器必须努力优化成非循环实现的重试循环。

（当多个 CPU 内核争用同一个高速缓存行时，locked 操作存在硬件总线/高速缓存仲裁；一次只有一个线程可以实际拥有高速缓存行并进行增量。您可能会说这是wait-free，即使“步骤”是时钟周期而不是 CPU 指令：locked 操作在任何给定系统上可能需要等待多长时间的上限可能较低，即使所有其他内核都在同一个缓存上敲击行。）

; possible x86 implementation of incrementAndGet() for a 32-bit integer
; which you'd hopefully get (after inlining and so on)

mov    eax,1
lock   xadd [mem], eax       ; atomically do [mem]+=eax, and put the old value in eax
inc    eax                   ; old_value += 1 to get the new value
; result in EAX

不需要循环。

在 LL/SC 机器（大多数非 x86，如 ARM、PowerPC、MIPS）上，会有一个重试循环，但它不完全是 CAS。 LL/SC 机器上的 CAS 重试循环有额外的开销。很轻微，但是让JVM直接看到你想要的原子操作肯定更好。有关 CAS 与 LL/SC 的更多讨论，请参阅 Atomically clearing lowest non-zero bit of an unsigned integer。 CAS 循环可以在理论上优化为纯 LL/SC 循环。

该问题也是您最好的选择（在 C++ 或 Java 源代码中）是 CAS 重试循环的示例，因为该语言没有执行您想要的操作的原子原语。（任何通用硬件也没有）。

【讨论】：