一文理解CAS和自旋的區別

我們在面試的時候，有時候在學習的時候，經常性的會遇到一些關於鎖的問題，尤其是面試官會提出提問，你對鎖了解的多麽？你知道鎖的原理麽？等等問題，於是也就會有後續延伸出來的，你知道 CAS 麽？你知道什麽是自旋麽？

自旋

顧名思義，自旋可以理解為「自我旋轉」，放到程式中就是"自我迴圈"，比如while迴圈或者for迴圈。結合著鎖來理解的話就是，先獲取一次鎖，如果獲取不到鎖，會不停的迴圈獲取，直到獲取到。不像普通的鎖那樣，如果獲取不到鎖就進入阻塞狀態。

CAS

CAS 是什麽，它的英文全稱是 Compare-And-Swap，中文叫做「比較並交換」，它是一種思想、一種演算法。

CAS演算法有3個基本運算元：

在並行場景下，各個程式碼的執行順序不能確定，為了保證並行安全，我們可以使用普通的互斥鎖，比如Java的 synchronized , ReentrantLock等。而CAS的特點是避免使用互斥鎖，當多個執行緒並行使用CAS更新同一個變量時，只有一個可以操作成功，其他都會失敗。而且用CAS更新失敗的執行緒並不會阻塞，會快速失敗並返回一個失敗的狀態，允許你再次嘗試。

而Compare-And-Swap（CAS）是一種原子操作，用於實作多執行緒環境下的同步和 並行控制 。其基本原理如下：

1. 讀取記憶體值：首先，CAS會讀取記憶體中的一個變量的當前值。

2. 比較記憶體值和預期值：接下來，CAS會將讀取的值與預期值進行比較。如果兩者相等，則說明記憶體中的值沒有被其他執行緒修改。

3. 如果相等，則將新值寫入記憶體：在比較階段，如果發現記憶體值與預期值相等，CAS會嘗試將新值寫入記憶體中。這個寫入操作是原子的，即在這個過程中不會被其他執行緒中斷。

4. 如果寫入成功，則操作完成；否則重復上述步驟：如果寫入操作成功，CAS完成。如果寫入操作失敗，說明在比較和寫入的過程中，記憶體值已經被其他執行緒修改，此時需要重新執行整個CAS操作。

CAS的基本原理就是利用比較和寫入的原子性操作來實作對共享變量的原子操作，從而避免了傳統鎖機制中的死結和執行緒阻塞問題。

自旋鎖 和CAS的關系是什麽呢？

其實他們是兩個不同的概念 自旋是一種鎖最佳化的機制，在鎖最佳化中『自旋鎖』指執行緒空轉重試獲取鎖，避免執行緒上下文切換帶來的開銷。

CAS是一種 樂觀鎖 機制，cas是透過比較並交換，失敗的時候可以直接返回false不用自旋的獲取。只是一般套用場景下，cas都會帶有重試機制(while或者for實作空轉，不斷嘗試獲取)。

如果硬有關系，那麽可以這樣理解

自旋鎖 = 迴圈+CAS

我們都知道了這個自旋鎖和 CAS 的關系了，那麽CAS 都有哪些缺點呢？

Compare-And-Swap (CAS) 的缺點包括：

1. 自旋等待：CAS 在執行時會進行自旋等待，如果失敗則需要重試，這會消耗處理器資源。

2. ABA 問題：CAS 只能檢測到共享變量的值是否發生了變化，但無法檢測到變量的值是否經歷了類似 A->B->A 的變化，這可能導致一些意外的問題。

3. 無法保證公平性：CAS 操作是非阻塞的，因此無法保證等待執行緒的公平性，可能導致某些執行緒長時間無法獲得執行機會。

4. 無法解決死結：CAS 無法解決死結問題，如果多個執行緒同時執行 CAS 操作，可能導致死結的發生。

5. 限制性：CAS 操作通常只能套用於單個變量，對於復雜的數據結構，需要額外的處理來實作原子操作。

總的來說，CAS 雖然具有高效的特點，但也存在著一些局限性和缺點。

既然我們說了這個 CAS 那麽面試官不可避免的就會問到，既然你了解了 CAS ，那麽你是不是也對 ABA 問題有了解呢？

什麽是 ABA 問題

我們先來看什麽是 ABA 的問題。

ABA問題是在分布式系統中常見的一種數據一致性問題。它的名稱來源於三個操作：A（原始值）、B（第一個讀取）、A（第二個讀取）。ABA問題發生在一個執行緒T1讀取了一個共享變量的值A，然後另一個執行緒T2修改了這個共享變量的值為B，然後又改回A，最後執行緒T1再次讀取這個共享變量的值，發現仍然是A。在這種情況下，執行緒T1可能會錯誤地認為共享變量的值沒有改變，從而導致數據不一致。

解決ABA問題的常見方案是使用版本號或者標記來跟蹤數據的變化。透過在每次數據變化時增加版本號或者標記，可以避免ABA問題的發生。另外，使用CAS（Compare and Swap）操作也可以解決ABA問題，CAS操作會在更新變量時檢查變量的值是否仍然是預期值，從而避免了ABA問題的發生。

簡單的說就是

比如執行緒1從記憶體位置V中取出A，此時執行緒2也取出A。且執行緒2做了一次cas將值改為了B，然後又做了一次cas將值改回了A。此時執行緒1做cas發現記憶體中還是A，則執行緒1操作成功。這個時候實際上A值已經被其他執行緒改變過，這與設計思想是不符合的。

那麽這個問題出現在哪裏呢？

那關於自旋和 CAS 你了解了麽？

來源：網路

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