什么是硬件同步原语？

为什么硬件同步原语能够代替锁呢？要了解这个问题，你要首先晓得硬件同步原语是什么。

硬件同步原语（Atomic Hardware Primitives）是由计算机硬件提供的一组原子操作，咱们比拟罕用的原语次要是CAS和FAA这两种。

CAS（Compare and Swap），它的字面意思是：先比拟，再替换。咱们看一下CAS实现的伪代码：

<< atomic >>function cas(p : pointer to int, old : int, new : int) returns bool {    if *p ≠ old {        return false    }    *p ← new    return true}

它的输出参数一共有三个，别离是：

  • p: 要批改的变量的指针。
  • old: 旧值。
  • new: 新值。

返回的是一个布尔值，标识是否赋值胜利。

通过这个伪代码，你就能够看出CAS原语的逻辑，非常简单，就是先比拟一下变量p以后的值是不是等于old，如果等于，那就把变量p赋值为new，并返回true，否则就不扭转变量p，并返回false。

这是CAS这个原语的语义，接下来咱们看一下FAA原语（Fetch and Add）：

<< atomic >>function faa(p : pointer to int, inc : int) returns int {    int value <- *location    *p <- value + inc    return value}

FAA原语的语义是，先获取变量p以后的值value，而后给变量p减少inc，最初返回变量p之前的值value。

讲到这儿预计你会问，这两个原语到底有什么非凡的呢？

下面的这两段伪代码，如果咱们用编程语言来实现，必定是无奈保障原子性的。而原语的非凡之处就是，它们都是由计算机硬件，具体说就是CPU提供的实现，能够保障操作的原子性。

咱们晓得， 原子操作具备不可分割性，也就不存在并发的问题。所以在某些状况下，原语能够用来代替锁，实现一些即平安又高效的并发操作。

CAS和FAA在各种编程语言中，都有相应的实现，能够来间接应用，无论你是应用哪种编程语言，它们底层的实现是一样的，成果也是一样的。

接下来，还是拿咱们相熟的账户服务来举例说明一下，看看如何应用CAS原语来代替锁，实现同样的安全性。

CAS版本的账户服务

假如咱们有一个共享变量balance，它保留的是以后账户余额，而后咱们模仿多个线程并发转账的状况，看一下如何应用CAS原语来保证数据的安全性。

这次咱们应用Go语言来实现这个转账服务。先看一下应用锁实现的版本：

package mainimport (    "fmt"    "sync")func main() {    // 账户初始值为0元    var balance int32    balance = int32(0)    done := make(chan bool)    // 执行10000次转账，每次转入1元    count := 10000    var lock sync.Mutex    for i := 0; i < count; i++ {        // 这里模仿异步并发转账        go transfer(&balance, 1, done, &lock)    }    // 期待所有转账都实现    for i := 0; i < count; i++ {        <-done    }    // 打印账户余额    fmt.Printf("balance = %d \n", balance)}// 转账服务func transfer(balance *int32, amount int, done chan bool, lock *sync.Mutex) {    lock.Lock()    *balance = *balance + int32(amount)    lock.Unlock()    done <- true}

这个例子中，咱们让账户的初始值为0，而后启动多个协程来并发执行10000次转账，每次往账户中转入1元，全副转账执行实现后，账户中的余额应该正好是10000元。

如果你没接触过Go语言，不理解协程也没关系，你能够简略地把它了解为过程或者线程都能够，这里咱们只是心愿能异步并发执行转账，咱们并不关怀这几种“程”他们之间轻微的差异。

这个应用锁的版本，重复屡次执行，每次balance的后果都正好是10000，那这段代码的安全性是没问题的。接下来咱们看一下，应用CAS原语的版本。

func transferCas(balance *int32, amount int, done chan bool) {    for {        old := atomic.LoadInt32(balance)        new := old + int32(amount)        if atomic.CompareAndSwapInt32(balance, old, new) {            break        }    }    done <- true}

这个CAS版本的转账服务和下面应用锁的版本，程序的总体构造是一样的，次要的区别就在于，“异步给账户余额+1”这一小块儿代码的实现。

那在应用锁的版本中，须要先获取锁，而后变更账户的值，最初开释锁，实现一次转账。咱们能够看一下应用CAS原语的实现：

首先，它用for来做了一个没有退出条件的循环。在这个循环的外部，重复地调用CAS原语，来尝试给账户的余额+1。先获得账户以后的余额，临时寄存在变量old中，再计算转账之后的余额，保留在变量new中，而后调用CAS原语来尝试给变量balance赋值。咱们刚刚讲过，CAS原语它的赋值操作是有前置条件的，只有变量balance的值等于old时，才会将balance赋值为new。

咱们在for循环中执行了3条语句，在并发的环境中执行，这外面会有两种可能状况：

一种状况是，执行到第3条CAS原语时，没有其余线程同时扭转了账户余额，那咱们是能够平安变更账户余额的，这个时候执行CAS的返回值肯定是true，转账胜利，就能够退出循环了。并且，CAS这一条语句，它是一个原子操作，赋值的安全性是能够保障的。

另外一种状况，那就是在这个过程中，有其余线程扭转了账户余额，这个时候是无奈保障数据安全的，不能再进行赋值。执行CAS原语时，因为无奈通过比拟的步骤，所以不会执行赋值操作。本次尝试转账失败，以后线程并没有对账户余额做任何变更。因为返回值为false，不会退出循环，所以会持续重试，直到转账胜利退出循环。

这样，每一次转账操作，都能够通过若干次重试，在保障安全性的前提下，实现并发转账操作。

其实，对于这个例子，还有更简略、性能更好的形式：那就是，间接应用FAA原语。

func transferFaa(balance *int32, amount int, done chan bool) {    atomic.AddInt32(balance, int32(amount))    done <- true}

FAA原语它的操作是，获取变量以后的值，而后把它做一个加法，并且保障这个操作的原子性，一行代码就能够搞定了。看到这儿，你可能会想，那CAS原语还有什么意义呢？

在这个例子外面，必定是应用FAA原语更适合，然而咱们下面介绍的，应用CAS原语的办法，它的适用范围更加宽泛一些。相似于这样的逻辑：先读取数据，做计算，而后更新数据，无论这个计算是什么样的，都能够应用CAS原语来爱护数据安全，然而FAA原语，这个计算的逻辑只能局限于简略的加减法。所以，咱们下面讲的这种应用CAS原语的办法并不是没有意义的。

另外，你须要晓得的是，这种应用CAS原语重复重试赋值的办法，它是比拟消耗CPU资源的，因为在for循环中，如果赋值不胜利，是会立刻进入下一次循环没有期待的。如果线程之间的碰撞十分频繁，经常性的重复重试，这个重试的线程会占用大量的CPU工夫，随之零碎的整体性能就会降落。

缓解这个问题的一个办法是应用Yield()， 大部分编程语言都反对Yield()这个零碎调用，Yield()的作用是，通知操作系统，让出以后线程占用的CPU给其余线程应用。每次循环完结前调用一下Yield()办法，能够在肯定水平上缩小CPU的使用率，缓解这个问题。你也能够在每次循环完结之后，Sleep()一小段时间，然而这样做的代价是，性能会重大降落。

所以，这种办法它只适宜于线程之间碰撞不太频繁，也就是说绝大部分状况下，执行CAS原语不须要重试这样的场景。

总结

本文讲述了CAS和FAA这两个原语。这些原语，是由CPU提供的原子操作，在并发环境中，独自应用这些原语不必放心数据安全问题。在特定的场景中，CAS原语能够代替锁，在保障安全性的同时，提供比锁更好的性能。

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