在并发编程中，我们常常使用锁来保护共享资源，这样会导致性能上的损失。在一些情况下，可以采用硬件同步原语来替代锁，在确保数据安全性的同时，也可以获取更好的性能。

硬件同步原语(Atomic Hardware Primitives)由计算机硬件(即 CPU 提供的实现)提供的一组原子操作，较常用的原语主要是

• CAS(Compare and Swap)

• FAA(Fetch and And)

CAS 原语

CAS 实现的伪码：

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

ABA 问题

假设存在两个线程 P1 和 P2，它们都会对共享变量 A 操作，在下面的场景中变回存在 ABA 问题：

• P1 从共享内存中读取了 A 当前的值

• P2 开始执行，它将 A 的值修改为 B，并且在 P1 执行前又修改为 A

• P1 又开始执行，它从共享内存读取到的值依然是 A，好像没有改变似的，实际上 A 编程 B 又变成 A。

针对 ABA 问题，Java 提供了AtomicStampedReference通过控制变量的版本来实现确保 CAS 的正确性。

优缺点

CAS 可以实现高效的原子操作，却存在以下一些问题：

• 如果 CAS 失败，反复重试赋值方式，会比较消耗 CPU 资源。如果赋值不成功，会无等待立即进入下一轮循环，如果线程间碰撞频繁，反复重试，重试线程会占用大量的 CPU 时间。

• 只能保证一个共享变量的原子操作。当对一个共享变量执行操作时，我们可以使用循环 CAS 的方式来保证原子操作，但是对多个共享变量操作时，循环 CAS 就无法保证操作的原子性，这个时候就可以用锁来保证原子性。

• 存在 ABA 问题。

FAA 原语

FAA 伪码：

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

FAA 原语的操作是先获取变量的当前值，之后进行计算，更新数据。FAA 原语的计算逻辑只局限于简单的加减法，而 CAS 原语的使用范围更广。

下面是[1]给出的 Go 语言实现的 CAS 和 FAA 实现：

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}

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

参考资料

1. 极客时间：如何用硬件同步原语（CAS）替代锁
   

2. 知乎:面试必问的CAS，你懂了吗？