12-原子操作CAS

一、cas简介

java.util.concurrent包完全建立在CAS之上的，没有CAS就不会有此包java.util.concurrent包中借助CAS实现了区别于synchronouse同步锁的一种乐观锁。
使用cas操作实现锁原理:就是利用了现代操作系统的原子指令（即cas操作）,在一个死循环里面不断进行cas操作,直到成功为止.。这个死循环也要自旋。

二、cas原理

CAS:Compare and Swap 比较并交换
CAS有三个参数,内存位置V、旧的预期值A、新的预期值B。当且仅当V符合预期值A的时候，CAS用新值B原子化的更新V的值；否则他什么都不做。在任何情况下都会返回V的真实值。（这个变量称为compare-and-set，无论操作是否成功都会返回。）CAS的意思是，“ 我任务V的值应该是A，如果是A则将其赋值给B，若不是，则不修
改，并告诉我应该为多少。”CAS是以项乐观技术–它抱着成功的希望进行更新，并且如果，另一个线程在上次检查后更新了变量，它能够发现错误。
CAS是如何保证这个指令是原子执行的呢？JVM中的CAS操作正是利用了处理器提供的CMPXCHG指令实现的。这个指令能保证原子性。
结合volatile变量的可见性和禁止指令重排序，我们通常将这个需要cas操作的变量定义成volatile变量，那这样就实现了cas锁：
1、修改变量是原子的
2、修改后会立刻对其它线程可见
3、保证其它线程用cas修改这个变量时 读取到的变量是最新的。
所以我们cas锁实现2要素： 变量定义成volatile类型，cas修改这个变量的值

AtomicInteger 利用CAS操作实现的锁举例

private volatile int value;//保证线程可见性
public final int get() {
    return value;
}
public final int incrementAndGet() {
    for (;;) {
        int current = get();
        int next = current + 1;
        if (compareAndSet(current, next))
            return next;
    }
}

在这里采用了CAS操作，每次从内存中读取数据然后将此数据和+1后的结果进行CAS操作，如果成功就返回结果，否则重试直到成功为止。
而compareAndSet利用JNI(java native interface)来完成CPU指令的操作。

CAS实际上是利用处理器提供的CMPXCHG指令实现的，而处理器执行CMPXCHG指令是一个原子性操作。
JNI(java本地方法)充许java调用其它语言。compareAndSet就是借助C来调用CPU底层指令实现
CPU保证原子性是通过总线锁,缓存锁实现

三、cas缺点

1、ABA问题

因为CAS需要在操作值的时候检查下值有没有发生变化，如果没有发生变化则更新，但是如果一个值原来是A，变
成了B，又变成了A，那么使用CAS进行检查时会发现它的值没有发生变化，但是实际上却变化了。ABA问题的解
决思路就是使用版本号。在变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加一，那么A－B－A 就会变成1A-2B－3A。
从Java1.5开始JDK的atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference来解决ABA问题。
由ABA问题产生的问题实列：
比如：甲有100元存款，要用提款机提取50元，
提款机出现问题，提款操作同时提交2次，开启两个线程，两个线程都获取当前值是100元，要更新成50元。理想情况是存款只被扣除一次。线程1操作成功，余额变成50元，线程2阻塞。这时乙给甲汇款50元，操作成功存款变成100元，线程2恢复正常，又将存款更新成50元。这就是ABA还来的问题。

2、循环时间长开销大

在死循环里面一直执行cas操作,如果cas常期操作不成功,那么会一直循环cpu开锁大

3 只能保证一个共享变量的原子性

cas只能保证一个共享变量的原子性

四、cas总结

concurrent通用实现模式
1、声明共享变量为volatile；
2、使用CAS的原子条件更新来实现线程之间的同步；
3、配合以volatile的读/写和CAS所具有的volatile读和写的内存语义来实现线程之间的通信
AQS，非阻塞数据结构和原子变量类（java.util.concurrent.atomic包中的类），这些concurrent包中的基础类都是使用这种模式来实现的，而concurrent包中的高层类又是依赖于这些基础类来实现的。从整体来看，concurrent包的实现示意图如下：

五、在jdk中的应用类

AtomicInteger 原子自增操作
AtomicReference 保证一个对象原子操作（直接改变AtomicReference 对象副本引用）
AtomicMarkableReference 带版本戳的原子操作： 版本号回boolean类型，只关心是否被改过
UseAtomicStampedReference 带版本戳的原子操作：版本号回int类型，关心修改过几次