1.15、锁的底层原理是什么？

CAS机制的原理

CAS是一种原子指令，涉及三个操作数：

• • 内存中的当前值V
• • 期望的旧值X
• • 要写入的新值B

CAS的操作流程是：当且仅当内存中当前值V等于期望的旧值X时，才将内存值更新为新值B；否则，不做修改。这个过程是不可分割的原子操作，保证了在多线程环境下的安全性。

CAS在锁实现中的应用

以自旋锁（spinlock）为例，锁状态通常用一个原子变量表示（如0表示未锁定，1表示已锁定）。线程尝试通过CAS将该变量从0改为1：

• • 如果CAS成功，说明线程获得锁，进入临界区。
• • 如果CAS失败，说明锁已被其他线程持有，当前线程会循环尝试（自旋）直到获得锁。

这种方式避免了传统阻塞锁的上下文切换开销，适合临界区较短的场景。

CAS的优势与限制

• • 优势：CAS操作是无锁（lock-free）的基础，避免了线程阻塞和死锁风险，提高了并发性能。
• • 限制：CAS存在ABA问题（值从A变为B又变回A，CAS误判成功），通常需要配合版本号或其他机制解决；此外，CAS操作失败时需要重试，可能导致性能下降。

C++中的实现

C++11标准引入了std::atomic，提供了封装好的原子操作接口，如compare_exchange_weak和compare_exchange_strong，底层即利用CPU的CAS指令实现。开发者通过这些接口可以方便地实现高效的锁或无锁数据结构。
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