atomic - 为什么 CAS（原子）操作比同步或易失性操作更快

Question

据我了解， synchronized 关键字将本地线程缓存与主内存同步。volatile 关键字基本上总是在每次访问时从主存储器中读取变量。当然，访问主内存比本地线程缓存要昂贵得多，因此这些操作很昂贵。但是，CAS 操作使用低级硬件操作，但仍必须访问主存储器。那么 CAS 操作如何更快呢？

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我相信关键因素正如您所说 - CAS机制使用低级硬件指令，允许最小的缓存刷新和争用解决。

其他两种机制 (synchronization和volatile) 使用不同的架构技巧，这些技巧在所有不同的架构中更普遍可用。

CAS 指令在大多数现代架构中以一种或另一种形式提供，但在每种架构中会有不同的实现。

Brian Goetz的有趣引述（据说）

操作的相对速度在很大程度上不是问题。相关的是基于锁和非阻塞算法之间的可扩展性差异。如果您在 1 或 2 核系统上运行，请停止考虑此类事情。

非阻塞算法通常可以更好地扩展，因为它们的“关键部分”比基于锁的算法更短。

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请注意，CAS 不一定必须访问内存。

大多数现代架构都实现了像MESI这样的缓存一致性协议，如果只有一个线程同时访问数据，它允许 CPU 执行快捷方式。在这种情况下，与传统的非同步内存访问相比，开销非常低。

然而，当对同一值进行大量并发更改时，缓存确实毫无价值，所有操作都需要直接访问主存。在这种情况下，同步不同 CPU 缓存和内存访问序列化的开销可能会导致性能显着下降（这也称为缓存乒乓），这可能与您所经历的一样糟糕甚至更糟基于锁的方法。

所以永远不要简单地假设如果你切换到原子，你所有的问题都会消失。原子的最大优势是无锁（总是有人取得进展）或无等待（每个人都在一定数量的步骤后完成）实现的进度保证。但是，这通常与原始性能正交：无等待解决方案可能比基于锁的解决方案慢得多，但在某些情况下，您愿意接受这一点以获得进度保证。

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