原子操作 CAS

参考：

https://zhuanlan.zhihu.com/p/400817892

https://www.bilibili.com/read/cv10686883/

https://blog.csdn.net/www_dong/article/details/119920236

https://blog.csdn.net/niu91/article/details/116308436

https://blog.csdn.net/CringKong/article/details/79966161

1、原子操作

原子操作，不会被线程调度机制打断的操作。这个操作一旦开始，就一直运行到结束，中间不会有任何上下文切换。

典型的原子操作有（原子操作需要硬件支持）

Load / Store ：读写内存

Test and Set：针对bool变量，如果为true则返回true，如果为false，则将变量置为true并返回false。 

Clear：将bool变量设为false。 

Exchange：将指定位置的值设置为传入值，并返回其旧值。 

Compare and Swap：将指定位置的值与期望值比较，如果相等则赋值为新值，如果不等则将期望值设置为自身。返回是否设置成功。 

Fetch And 加减乘除系列：对指定位置的值使用传入参数执行加减乘除，并返回旧值。

2、竞态条件（Race Conditon）

int i = 0;
i++;

mov         eax,dword ptr [i]   // 将i加载到eax寄存器
add         eax,1  // eax中的值加一
mov         dword ptr [i],eax  // 将eax中的值赋值到i的地址 

汇编层面有三步操作：读-修改-写。线程1修改完还未写到内存中去，线程2得到CPU开始执行，修改的会是线程1未写到内存中的值，存在线程安全问题。

4、线程安全

解决线程安全通常有以下方法：

1、使用原子操作。

2、加锁：悲观锁或者乐观锁（无锁）

1、atomic_int num; num++;

在msvc中，C++11 提出的 atomic_int 类型，在 num++ 操作时，底层调用windows提供的原子自增函数_InterlockedIncrement 。

2、悲观锁

mutex 就是一种悲观锁的使用。假定会发生并发冲突，屏蔽一切可能违反数据完整性的操作。

3、乐观锁

假设不会发生并发冲突，每次不加锁而是假设没有冲突而去完成某项操作，只在提交操作时检查是否违反数据完整性。

CAS (Compare And Swap)操作是一条CPU的原子指令，所以不会有线程安全问题。

CAS(addr,old,new)

解释：将addr存放的只与old比较，如果等于old，则将new赋值给addr。

C++ 可以实现如下：

bool compare_and_swap(int* pAddr, int nExpected, int nNew) {
    if (*pAddr == nExpected) {
        *pAddr = nNew;
        return true;
    }
    else 
        return false;
}

不同编译器 底层实现不一样，但算法思想一样。

GCC的CAS，GCC4.1+版本中支持CAS的原子操作。

1）bool __sync_bool_compare_and_swap (type *ptr, type oldval, type newval, ...) 
2）type __sync_val_compare_and_swap (type *ptr, type oldval, type newval, ...)

C++11中的CAS，C++11中的STL中的atomic类的函数可以让你跨平台。

template< class T > bool atomic_compare_exchange_weak( std::atomic* obj,T* expected, T desired ); 
template< class T > bool atomic_compare_exchange_weak( volatile std::atomic* obj,T* expected, T desired );

Windows的CAS

InterlockedCompareExchange ( __inoutLONGvolatile *Target,
                                __inLONGExchange,
                                __inLONGComperand);

 CAS 存在的问题： ABA。

解决方法： Double CAS，即可以加上版本号。

像状态寄存器、映射到内存地址上的 I/O 操作、涉及硬件操作的变量需要加volatile，因为对它们的每一次操作都有其意义，

而并发时，多线程多任务环境下各任务间共享的标志，其实更应该用原子量和内存序，或者直接加互斥锁，以确保共享区操作的原子性和顺序性。

所以其实volatile和atomic是应用于不同场景的，甚至可以叠加使用。比如：

 volatile std::atomic<int> value;

这个式子表示对value的操作都是原子性的，