底层分析为什么CAS不保证可见性

这些都是笔者辛苦总结，若是对你有用，就点赞收藏支持一下笔者，也是对笔者所写的肯定，谢谢大家！

目录

总线锁定机制

缓存锁定机制（MESI协议） 

伪代码展示

 缓存一致性维护 

两种机制的协同工作

示例

在CPU缓存架构，CAS只保证比较和交换这个操作是原子的，不保证值的可见性，每个CPU都有自己的缓存，CAS成功后值只更新到当前CPU的缓存中。

之前已经介绍过总线锁定机制和缓存锁定机制了，这次再更加详细地介绍一遍，也可以看看笔者的前篇CAS操作的底层原理（总线锁定机制和缓存锁定机制 ）-CSDN博客

总线锁定机制

CPU1 执行CAS操作：
1. 发出LOCK#信号到总线
2. 锁定总线
3. 执行内存读取
4. 比较并交换
5. 写回内存
6. 释放总线锁 

总线锁会直接锁住内存访问，其他CPU无法通过总线访问内存，保证了操作的原子性。

缓存锁定机制（MESI协议） 

步骤1：CPU1要执行CAS
->检查数据是否在自己的缓存中
->如果是，检查缓存行状态

步骤2：如果缓存行状态是S（共享）
->发出"独占请求"到总线
->其他CPU收到请求后将其缓存行置为I（无效）
->CPU1将缓存行状态改为E（独占）

步骤3：执行CAS操作
->在缓存中完成比较和交换
->将缓存行状态改为M（修改）

步骤4：操作完成后
->其他CPU要访问该数据时发现缓存行无效
->从拥有M状态的CPU缓存中获取最新数据

伪代码展示

class CacheLineOperation {
    // 缓存行状态
    enum State { MODIFIED, EXCLUSIVE, SHARED, INVALID }
    
    class CacheLine {
        State state;
        int value;
        boolean locked;
    }
    
    // CPU缓存操作模拟
    void performCAS(CacheLine line, int expect, int update) {
        // 1. 获取缓存行独占权
        acquireExclusive(line);
        
        // 2. 执行CAS
        if (line.value == expect) {
            line.value = update;
            line.state = State.MODIFIED;
        }
        
        // 3. 通知其他CPU
        notifyOtherCPUs();
    }
}

 缓存一致性维护 

CPU1 Cache [A=1, M]  ──┐
CPU2 Cache [A=1, S]   ──┼── 总线
CPU3 Cache [A=1, S]  ──┘

当CPU1执行CAS：
1. CPU1发出独占请求
2. CPU2和CPU3将各自的缓存行置为I
3. CPU1执行CAS操作
4. CPU1缓存行状态变为M

两种机制的协同工作

CAS操作执行时如果数据在缓存中：
1. 使用缓存锁
2. MESI协议保证一致性
3. 最终写回内存

CAS操作执行时如果数据不在缓存中：
1. 使用总线锁
2. 直接操作内存
3. 更新所有CPU缓存

写回策略
1. 缓存行被替换
2. 其他CPU请求该数据
3. 显式的内存屏障指令
4. 系统总线请求

示例

public class Counter {
    // 错误示例：只用CAS
    private int count;
    
    public void increment() {
        while (!compareAndSet(count, count + 1)) {}
        // 其他线程可能看不到更新
    }
    
    // 正确示例：CAS + volatile
    private volatile int countWithVolatile;
    
    public void incrementRight() {
        while (!compareAndSet(countWithVolatile, countWithVolatile + 1)) {}
        // 其他线程立即可见
    }
}

这些都是笔者辛苦总结，若是对你有用，就点赞收藏支持一下笔者，也是对笔者所写的肯定，谢谢大家！