全面了解Java中的CAS机制

全面了解Java中的CAS机制

前言

在看到java锁机制的时候，无意中看到了CAS这个词，然后在百度查找CAS看了很多文章始终没有看的太懂，今天又在Google上查找了一些资料，才算是真正弄清楚了CAS机制。

什么是CAS

在jdk 1.5中增加的一个最主要的支持是Atomic类，比如说AtomicInteger, AtomicLong，这些类可帮助最大限度地减少在多线程中对于一些基本操作（例如，增加或减少多个线程之间共享的值）的复杂性。而这些类的实现都依赖于CAS（compare and swap）的算法。

乐观锁和悲观锁

cpu是时分复用的，也就是把cpu的时间片，分配给不同的thread/process轮流执行，时间片与时间片之间，需要进行cpu切换，也就是会发生进程的切换。切换涉及到清空寄存器，缓存数据。然后重新加载新的thread所需数据。当一个线程被挂起时，加入到阻塞队列，在一定的时间或条件下，在通过notify()，notifyAll()唤醒回来。在某个资源不可用的时候，就将cpu让出，把当前等待线程切换为阻塞状态。等到资源(比如一个共享数据）可用了，那么就将线程唤醒，让他进入runnable状态等待cpu调度。这就是典型的悲观锁的实现。独占锁是一种悲观锁，synchronized就是一种独占锁，它假设最坏的情况，并且只有在确保其它线程不会造成干扰的情况下执行，会导致其它所有需要锁的线程挂起，等待持有锁的线程释放锁。

但是，由于在进程挂起和恢复执行过程中存在着很大的开销。当一个线程正在等待锁时，它不能做任何事，所以悲观锁有很大的缺点。举个例子，如果一个线程需要某个资源，但是这个资源的占用时间很短，当线程第一次抢占这个资源时，可能这个资源被占用，如果此时挂起这个线程，可能立刻就发现资源可用，然后又需要花费很长的时间重新抢占锁，时间代价就会非常的高。

乐观锁思路就是，每次不加锁而是假设没有冲突而去完成某项操作，如果因为冲突失败就重试，直到成功为止。某个线程可以不让出cpu,而是一直while循环，如果失败就重试，直到成功为止。所以，当数据争用不严重时，乐观锁效果更好。比如CAS就是一种乐观锁思想的应用。

CAS（Compare and Swap ）算法

CAS中有三个核心参数：

1.主内存中存放的V值，所有线程共享。

2.线程上次从内存中读取的V值A存放在线程的帧栈中，每个线程私有。

3.需要写入内存中并改写V值的B值。也就是线程对A值操作后放入到主存V中。

上面说的比较抽象，看下面的这幅图比较容易理解。

如上图中，主存中保存V值，线程中要使用V值要先从主存中读取V值到线程的工作内存A中，然后计算后变成B值，最后再把B值写回到内存V值中。多个线程共用V值都是如此操作。CAS的核心是在将B值写入到V之前要比较A值和V值是否相同，如果不相同证明此时V值已经被其他线程改变，重新将V值赋给A，并重新计算得到B，如果相同，则将B值赋给V。

如果不使用CAS机制，看看存在什么问题，假如V=1，现在Thread1要对V进行加1，Thread2也要对V进行加1，首先Thread1读取V=1到自己工作内存A中此时A=1，假设Thread2此时也读取V=1到自己的工作内存A中，分别进行加1操作后，两个线程中B的值都为2，此时写回到V中时发现V的值为2，但是两个线程分别对V进行加处理结果却只加了1有问题。

CAS核心代码

if （A==V）

{

V = B

return B;

}

else

return V;

上面的操作是原子操作，现在来看看如果两rYgKWiP个线程同时要对V进行加1操作使用上面的CAS机制后能不能获得正确结果。

①Thread 1和Thread2 要对V进行加1，Thread1和Thread2同时读取v值并且对V执行加1操作。

初始值 v=1，A=0, B=0。

②假设Thread1，Thread 2先读取V值赋给A，并且对A进行加1，得到B=2。

V=1，T1_A=1，T1_B=2；T2_A=1

Thread1要将T1_B写入V中，先要执行CAS操作：

if （T1_A==V）

{

V = T1_B

return T1_B;

}

else

return V;

因为T1_A=1=V，所以执行 V=T1_B=2，此时V=2。

③Thread2也要对V执行加操作。执行加操作之后

V=2 ，T2_A=1,T2_B=2，

当Thread2要将T2_B值写要V中之前要执行CAS操作，

if （T2_A==V）

{

V = T2_B

return T2_B;

}

else

return V;

此时http://T2_A=1，V=2, T2_A!=V,这时候返回V=2，给T2_A，T2_A=V=2，然后再次对T2_A进行加1，得到T2_B，此时T2_B=3，T2_A=2，比较T2_A==V，所以将T2_B的值赋给T2_V，T2_V=T2_B=3。最后结果为3。正确。

CAS中的ABA问题

如果一开始位置V得到的旧值是A，当进行赋值操作时再次读取发现仍然是A，并不能说明变量没有被其它线程改变过。有可能是其它线程将变量改为了B，后来又改回了A。大部分情况下ABA问题不会影响程序并发的正确性，如果要解决ABA问题，用传统的互斥同步可能比原子类更高效。

ABA问题的解决办法

1.在变量前面追加版本号：每次变量更新就把版本号加1，则A-B-A就变成1A-2B-3A。

2.atomic包下的AtomicStampedReference类：其compareAndSet方法首先检查当前引用是否等于预期引用，并且当前标志是否等于预期标志，如果全部相等，则以原子方式将该引用的该标志的值设置为给定的更新值。

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