CAS操作实现并发的优势、以及实现一个无锁队列、怎样解决ABA 问题

一、CAS（Compare and set）简介

1.概念：直译：比较和替换。简单来说–>使用一个期望值来和当前变量的值进行比较，如果当前的变量值与我们期望的值相等，就用一个新的值来更新当前变量的值。

2.特点：CAS是一种系统原语也就是所谓的原子操作，由若干条指令完成，用于完成一个功能的过程，原语的执行过程必须是连续的，不允许被中断。CAS有三个操作数，V：旧的内存值，A：预期的值，B：要更新后的值。当A=V时，将V的值更新为B，否则什么都不做。

3.用处：设计并发操作时的一种技术。

二、利用CAS实现多线程并发的优势（以实现内置类型的自增自减操作的并发为例）

1.首先来谈谈何为并发，为什么要进行线程间的并发。

自增操作是不具备原子性的，它包括读取变量的原始值、进行加1操作、写入工作内存。那么就是说自增操作的三个子操作可能会分割开执行，就有可能导致下面这种情况出现：

　　假如某个时刻变量inc的值为10，线程1对变量进行自增操作，线程1先读取了变量inc的原始值，然后线程1被阻塞了；

　　然后线程2对变量进行自增操作，线程2也去读取变量inc的原始值，由于线程1只是对变量inc进行读取操作，而没有对变量进行修改操作，所以不会导致线程2的工作内存中缓存变量inc的缓存行无效，所以线程2会直接去主存读取inc的值，发现inc的值时10，然后进行加1操作，并把11写入工作内存，最后写入主存。

　　然后线程1接着进行加1操作，由于已经读取了inc的值，注意此时在线程1的工作内存中inc的值仍然为10，所以线程1对inc进行加1操作后inc的值为11，然后将11写入工作内存，最后写入主存。

　　那么两个线程分别进行了一次自增操作后，inc只增加了1

　　我们期望的是在两个线程中都对inc进行了加一操作，然而最终得到的结果却是1。所以我们要对自增自减的这部分操作进行处理，使得他们的操作具有原子性，那么我们的程序就可以的到预期的效果了。

　　

　　我们可以想到很多种操作来实现线程间的并发。例如：锁、信号量等。锁也就是概念上的悲观锁：一个线程持有锁，会导致其他所有需要该锁的线程挂起，等待该线程释放锁。

另一种有效的解决办法就是乐观锁，每次操作都不加锁，而是假设没有冲突进而去完成某种操作，如果因为冲突失败就重试，乐观锁就是利用CAS来实现的。

但是，锁机制（悲观锁）会带来一系列的问题

1.一个线程持有锁，会导致其他需要该锁的线程全部挂起，导致线程的执行效率不高

2.在多线程竞争资源的情况下，加锁、解锁会导致过多的上下文切换以及调度时延，引起性能问题

3.如果一个优先级高的线程等待一个优先级低的线程释放锁，会导致优先级倒置引起性能风险。

而CAS就可以在一定程度上解决这些潜在的问题。

三、CAS带来的一些问题及解决方法

1.ABA问题：CAS在要更新值的时候需要检查旧值是否有变化，如果没有发生变化则更新值。但如果一个值A变成了B又变成了A，那么CAS在检查数据时发现没有改变，但实际上已经改变了。更新了原有的值的话会造成许多不可预想的后果。接下来举例说明。

利用单链表实现栈



2.循环时间开销太大：如果CAS长时间执行不成功，则会给CPU带来交大的执行开销。处理器提供一种pause指令可以缓解这部分问题，pause指令有两个作用，第一它可以延迟流水线执行指令（de-pipeline）,使CPU不会消耗过多的执行资源，延迟的时间取决于具体实现的版本，在一些处理器上延迟时间是零。第二它可以避免在退出循环的时候因内存顺序冲突（memory order violation）而引起CPU流水线被清空（CPU pipeline flush），从而提高CPU的执行效率。

3。只能保证一个共享变量的原子操作。如果需要对多个共享变量进行同步，就得使用锁，或者将几个共享变量封装起来，使用CAS来进行同步。从Java1.5开始JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，你可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。

四、利用CAS怎样实现一个无锁队列（在此只表述以链表微为数据结构的实现）

在此单链表的数据结构是自己实现的

//入队操作、在此为了预防多线程一直死循环下去，在置尾节点之前，将p挪到最后的尾节点处
bool Endequeue(int x)
{
Node *p = new Ndoe(x);
p->next = NULL;
Node *q = tail;
Node *oldp = p;

do {
while (p->next != NULL)
p = p->next;
} while( CAS(q.next, NULL, p) != true); //如果没有把结点链在尾上，再试
CAS(tail, oldp, q); //置尾结点
return true;
}

//出队操作
bool Delqueue(int x)
{
do{
Node *p = head;
if (p->next == NULL){
return false;x`x`x`
}
while( CAS(head, p, p->next) != true);
return true;
}