无锁算法——CAS原理

一、无锁算法

CAS（比较与交换，Compare and swap） 是一种有名的无锁算法。无锁编程，即不使用锁的情况下实现多线程之间的变量同步，也就是在没有线程被阻塞的情况下实现变量的同步，所以也叫非阻塞同步（Non-blocking Synchronization）。实现非阻塞同步的方案称为“无锁编程算法”（ Non-blocking algorithm）。
相对应的，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。
使用lock实现线程同步有很多缺点：
* 产生竞争时，线程被阻塞等待，无法做到线程实时响应。
* dead lock，死锁。
* live lock。
* 优先级翻转。
* 使用不当，造成性能下降。
当然在部分情况下，目前来看，无锁编程并不能替代 lock。

二、实现级别

非同步阻塞的实现可以分成三个级别：wait-free/lock-free/obstruction-free。
wait-free
是最理想的模式，整个操作保证每个线程在有限步骤下完成。
保证系统级吞吐（system-wide throughput）以及无线程饥饿。
截止2011年，没有多少具体的实现。即使实现了，也需要依赖于具体CPU。
lock-free
允许个别线程饥饿，但保证系统级吞吐。确保至少有一个线程能够继续执行。
wait-free的算法必定也是lock-free的。
obstruction-free
在任何时间点，一个线程被隔离为一个事务进行执行（其他线程suspended），并且在有限步骤内完成。在执行过程中，一旦发现数据被修改（采用时间戳、版本号），则回滚。也叫做乐观锁，即乐观并发控制(OOC)。事务的过程是：1读取，并写时间戳；2准备写入，版本校验；3校验通过则写入，校验不通过，则回滚。
lock-free必定是obstruction-free的。

三、CAS算法

CAS（比较与交换，Compare and swap） 是一种有名的无锁算法。CAS, CPU指令，在大多数处理器架构，包括IA32、Space中采用的都是CAS指令，CAS的语义是“我认为V的值应该为A，如果是，那么将V的值更新为B，否则不修改并告诉V的值实际为多少”，CAS是项 乐观锁 技术，当多个线程尝试使用CAS同时更新同一个变量时，只有其中一个线程能更新变量的值，而其它线程都失败，失败的线程并不会被挂起，而是被告知这次竞争中失败，并可以再次尝试。CAS有3个操作数，内存值V，旧的预期值A，要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值V修改为B，否则什么都不做。
java.util.concurrent.atomic中的AtomicXXX，都使用了这些底层的JVM支持为数字类型的引用类型提供一种高效的CAS操作，而在java.util.concurrent中的大多数类在实现时都直接或间接的使用了这些原子变量类，这些原子变量都调用了 sun.misc.Unsafe 类库里面的 CAS算法，用CPU指令来实现无锁自增，JDK源码：

public final int getAndIncrement() {  
        for (;;) {  
            int current = get();  
            int next = current + 1;  
            if (compareAndSet(current, next))  
                return current;  
        }  
}  

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {  
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);  
}

因而在大部分情况下，java中使用Atomic包中的incrementAndGet的性能比用synchronized高出几倍。

四、ABA问题

thread1意图对val=1进行操作变成2，cas(val,1,2)。
thread1先读取val=1；thread1被抢占（preempted），让thread2运行。
thread2 修改val=3，又修改回1。
thread1继续执行，发现期望值与“原值”（其实被修改过了）相同，完成CAS操作。
使用CAS会造成ABA问题，特别是在使用指针操作一些并发数据结构时。
解决方案
ABAʹ：添加额外的标记用来指示是否被修改。
从Java1.5开始JDK的atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference来解决ABA问题。这个类的compareAndSet方法作用是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和该标志的值设置为给定的更新值。