Java CAS原理

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1. CAS是什么？

CAS全称是Compare and Swap，即比较并交换，是通过原子指令来实现多线程的同步功能，将获取存储在内存地址的原值和指定的内存地址进行比较，只有当他们相等时，交换指定的预期值和内存中的值，这个操作是原子操作，若不相等，则重新获取存储在内存地址的原值。

2. CAS的流程

      CAS是一种无锁算法，有3个关键操作数，内存地址，旧的内存中预期值，要更新的新值，当内存值和旧的内存中预期值相等时，将内存中的值更新为新值。

3.乐观锁与悲观锁

CAS属于乐观锁，乐观锁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。

synchronized是悲观锁，被一个线程拿到锁之后，其他线程必须等待该线程释放锁，性能较差

二、AtomicInteger代码演示

在java中，a++不是原子操作，一个简单的a++操作涉及到三个操作，获取变量a的内存值，将变量a+1，将新值写入内存，这里涉及到了两次内存访问，如果在多线程环境下，那么会出现并发安全问题。

AtomicInteger是一个原子操作类，内部采用的就是CAS无锁算法。这里我们分析一下它的内部实现。

AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);atomicInteger.getAndSet(1);复制代码

这里的静态代码块AtomicInteger对象初始化之前就执行，获取AtomicInteger对象value字段相对AtomicInteger对象的”起始地址”的偏移量，Java对象在内存中存储的布局可以分为三块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding），”起始地址”的偏移量即是对象头的偏移量。

static {    try {        valueOffset = unsafe.objectFieldOffset            (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));    } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }}复制代码

public final int getAndSet(int newValue) {returnunsafe.getAndSetInt(this, valueOffset, newValue);}复制代码

每次通过内存地址(var2)先从内存中获取内存中原值(var5)，再循环将内存中的原值(var5)与给定内存地址(var2)相比较，如果相等则更新指定预期值(var4)，如果不相等则再重试直到成功为止，最后返回旧的内存原值var5。

//var1为AtomicInteger对象，var2为内存地址值，var4为指定的预期值public final int getAndSetInt(Object var1, long var2, int var4) {    int var5;do{//unsafe.getIntVolatile调用本地方法获取内存中值        var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);    }while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var4));returnvar5;}复制代码

三、弊端

1. ABA问题

CAS在操作的时候会检查变量的值是否被更改过，如果没有则更新值，但是带来一个问题，最开始的值是A，接着变成B，最后又变成了A。经过检查这个值确实没有修改过，因为最后的值还是A，但是实际上这个值确实已经被修改过了。为了解决这个问题，在每次进行操作的时候加上一个版本号，每次操作的就是两个值，一个版本号和某个值，A——>B——>A问题就变成了1A——>2B——>3A。在jdk中提供了AtomicStampedReference类解决ABA问题，用Pair这个内部类实现，包含两个属性，分别代表版本号和引用，在compareAndSet中先对当前引用进行检查，再对版本号标志进行检查，只有全部相等才更新值。

2. 只能保证一个共享变量的原子操作

多个共享变量操作时，循环CAS就无法保证操作的原子性，这个时候就可以用锁。从java1.5开始，JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，就可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。

3. 循环时间长CPU开销较大

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带来很大的压力。

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