Java—CAS机制

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1) CAS的由来

2) CAS 原理

3) CAS的缺点：

4) 什么是ABA问题

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CAS是英文单词Compare And Swap的缩写，翻译过来就是比较并替换。

CAS机制当中使用了3个基本操作数：内存地址V，旧的预期值A，要修改的新值B。

更新一个变量的时候，只有当变量的预期值A和内存地址V当中的实际值相同时，才会将内存地址V对应的值修改为B。

CAS的由来

我们先看一段代码：

public class cas {
    public static int count=0;
    public static void main(String[] args) {
        // 开启两个线程
        for (int i=0;i<2;i++){
            new Thread(
                    new Runnable() {
                        @Override
                        public void run() {
                            try {
                                Thread.sleep(10);
                            }catch (Exception e){
                                e.printStackTrace();
                            }
                            for(int j=0;j<100;j++){
                                count++;
                            }
                        }
                    }
            ).start();
        }
        try {
            Thread.sleep(2000);
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("count:"+count);
    }
}

启动两个线程，每个线程中让静态变量count循环累加100次。

最终输出的count结果一定是200吗？因为这段代码是非线程安全的，所以最终的自增结果很可能会小于200。我们再加上synchronized同步锁，再来看一下。

public class cas {
    public static int count=0;
    public static void main(String[] args) {
        // 开启两个线程
        for (int i=0;i<2;i++){
            new Thread(
                    new Runnable() {
                        @Override
                        public void run() {
                            try {
                                Thread.sleep(10);
                            }catch (Exception e){
                                e.printStackTrace();
                            }
                            for(int j=0;j<100;j++){
                                synchronized (cas.class){
                                    count++;
                                }
                            }
                        }
                    }
            ).start();
        }
        try {
            Thread.sleep(2000);
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("count:"+count);
    }
}

加了同步锁之后，count自增的操作变成了原子性操作，所以最终输出一定是count=200，代码实现了线程安全。虽然synchronized确保了线程安全，但是在某些情况下，这并不是一个最有的选择。

如果加上 System.out.println(); 也可以起到加锁的目的，因为输出语句的底层就是加锁的。

关键在于性能问题。

synchronized关键字会让没有得到锁资源的线程进入BLOCKED状态，而后在争夺到锁资源后恢复为RUNNABLE状态，这个过程中涉及到操作系统用户模式和内核模式的转换，代价比较高。

尽管JAVA 1.6为synchronized做了优化，增加了从偏向锁到轻量级锁再到重量级锁的过过度，但是在最终转变为重量级锁之后，性能仍然比较低。所以面对这种情况，我们就可以使用java中的“原子操作类”。

所谓原子操作类，指的是java.util.concurrent.atomic包下，一系列以Atomic开头的包装类。如AtomicBoolean，AtomicUInteger，AtomicLong。它们分别用于Boolean，Integer，Long类型的原子性操作。

现在我们尝试使用AtomicInteger类：

public class cas {
    public static AtomicInteger count=new AtomicInteger(0);
    public static void main(String[] args) {
        // 开启两个线程
        for (int i=0;i<2;i++){
            new Thread(
                    new Runnable() {
                        @Override
                        public void run() {
                            try {
                                Thread.sleep(10);
                            }catch (Exception e){
                                e.printStackTrace();
                            }
                            for(int j=0;j<10000;j++){
                                count.incrementAndGet();
                            }
                        }
                    }
            ).start();
        }
        try {
            Thread.sleep(2000);
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("count:"+count);
    }
}

使用AtomicInteger之后，最终的输出结果同样可以保证是200。并且在某些情况下，代码的性能会比Synchronized更好。

而Atomic操作类的底层正是用到了“CAS机制”。

CAS 原理

CAS是英文单词Compare And Swap的缩写，翻译过来就是比较并替换。

CAS机制当中使用了3个基本操作数：内存地址V，旧的预期值A，要修改的新值B。

更新一个变量的时候，只有当变量的预期值A和内存地址V当中的实际值相同时，才会将内存地址V对应的值修改为B。

这样说或许有些抽象，我们来看一个例子：

1.在内存地址V当中，存储着值为10的变量。

2.此时线程1想要把变量的值增加1。对线程1来说，旧的预期值A=10，要修改的新值B=11。

3.在线程1要提交更新之前，另一个线程2抢先一步，把内存地址V中的变量值率先更新成了11。

4.线程1开始提交更新，首先进行A和地址V的实际值比较（Compare），发现A不等于V的实际值，提交失败。

5.线程1重新获取内存地址V的当前值，并重新计算想要修改的新值。此时对线程1来说，A=11，B=12。这个重新尝试的过程被称为自旋。

6.这一次比较幸运，没有其他线程改变地址V的值。线程1进行Compare，发现A和地址V的实际值是相等的。

7.线程1进行SWAP，把地址V的值替换为B，也就是12。

从思想上来说，Synchronized属于悲观锁，悲观地认为程序中的并发情况严重，所以严防死守。CAS属于乐观锁，乐观地认为程序中的并发情况不那么严重，所以让线程不断去尝试更新。

在java中除了上面提到的Atomic系列类，以及Lock系列类夺得底层实现，甚至在JAVA1.6以上版本，synchronized转变为重量级锁之前，也会采用CAS机制。

CAS的缺点：

1） CPU开销过大

在并发量比较高的情况下，如果许多线程反复尝试更新某一个变量，却又一直更新不成功，循环往复，会给CPU带来很到的压力。

2）不能保证代码块的原子性

CAS机制所保证的知识一个变量的原子性操作，而不能保证整个代码块的原子性。比如需要保证3个变量共同进行原子性的更新，就不得不使用synchronized了。

3） ABA问题

这是CAS机制最大的问题所在。

介绍一下两个问题

1. JAVA中CAS的底层实现

2. CAS的ABA问题和解决办法。

首先看一看AtomicInteger当中常用的自增方法 incrementAndGet：

public final int incrementAndGet() {
    for (;;) {
        int current = get();
        int next = current + 1;
        if (compareAndSet(current, next))
            return next;
    }
}
private volatile int value;
public final int get() {
    return value;
}

这段代码是一个无限循环，也就是CAS的自旋。循环体当中做了三件事：
1.获取当前值。
2.当前值+1，计算出目标值。
3.进行CAS操作，如果成功则跳出循环，如果失败则重复上述步骤。

这里需要注意的重点是 get 方法，这个方法的作用是获取变量的当前值。

如何保证获取的当前值是内存中的最新值？很简单，用volatile关键字来保证（保证线程间的可见性）。我们接下来看一下compareAndSet方法的实现：