Compare and Swap [CAS] 算法 - Java 多线程

賈小強
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一个Java 5中最好的补充是对原子操作的支持类，如AtomicInteger，AtomicLong等。这些类帮助你减少复杂的（不必要的）多线程代码，实际上只是完成一些基本操作，如增加或减少多个线程之间的共享的值。这些类在内部依赖于一个名为CAS（Compare and Swap）的算法。在这篇文章中，我将详细讨论这个概念。

乐观悲观锁 (Optimistic and Pessimistic Lock)

传统的锁机制，例如在Java中使用的synchronized关键字，是多线程的悲观锁技术。它要求您首先保证没有其他线程将在某些操作之间进行干扰（即锁定对象）。

这就像是说：“请先把门关上，否则会有其他的骗子进来整理你的东西”。

虽然上面的方法是安全的，它确实有效，但它在性能上对应用程序造成了严重的影响。原因很简单，等待线程不能做任何事情，除非它们也有机会执行被保护的操作。

实际上存在一种更有效性能更好的方式，在本质上是乐观的。在这种方法中，您继续进行更新，希望您能在不受干扰的情况下完成。这种方法依赖于碰撞检测，来确定是否更新时被其他方面的干扰，在这种情况下，操作失败可以重试（或不）。

乐观的方法就像一句老话：“获得原谅比获得许可更容易”，在这里“更容易”意味着“更有效”。

Compare and Swap是这种乐观方法的一个很好例子，我们将在下面讨论。

Compare and Swap算法

该算法将某个内存位置的内容与给定值进行比较（compare），只有当它们相同时，才将内存位置的内容修改为给定的新值。这是作为单个原子操作完成的。原子性保证了新值是在最新值基础上进行计算的；如果该值已被另一个线程同时更新，那么修改会失败。操作的结果必须指明它是否执行替换（swap），这可以通过简单的布尔响应（这个变体通常称为compare-and-set），或者返回从内存位置读取的值（而不是写入它的值）来完成。

比如CAS操作有3个参数：

1. 一个内存位置V，其值必须被替换。
2. 上一次线程读的旧值A。
3. 应在V上写的新值B。

CAS说：“我觉得V应该有值A；如果是，把B放在那里，否则不要改变它，但告诉我，我错了。”CAS乐观的希望的更新成功，同时如果另一个线程从它上次检查后更新了变量，它会检测到失败。

让我们用一个例子明白整个过程。假设V是存储值“10”的内存位置。有多个线程希望增加这个值，并将递增的值用于其他操作。让我们逐步完成整个CAS操作：

1. 初始状态。
   V = 10, A = 0, B = 0
2. 现在线程1首先出现，并将V与它的上次读取的值A进行比较（compare）：
   V = 10, A = 10, B = 11

if A = V
   V = B
 else
   operation failed
   return V

显然，V的值将被替换（swap）为11，即操作成功。

3. 然后线程2执行与线程1相同的操作，这个时候内置位置V实际上值已经是11，但线程2上次读取的还是10。
   V = 11, A = 10, B = 11

if A = V
   V = B
 else
   operation failed
   return V

4. 在这种情况下，将V与它的上次读取的值A进行比较（compare），V不等于A，所以不替换值，返回V，而即当前值11。现在线程2，再次用值重试（retry）这个操作：
   V = 11, A = 11, B = 12
   此时，条件满足并将值递增为12，然后返回给线程2。

总之，当多个线程尝试使用CAS同时更新同一个变量时，其中一个线程会成功更新变量的值，剩下的会失败。但失败者不会受到线程的惩罚。他们可以自由地重试操作或干脆什么也不做。

这样每个线程对值得增加都是实打实的增加了，而不会导致线程1，线程2同时读取V为10，然后线程1增加为11，线程2也自认为增加了，但结果还是11，通过CAS算法避免了消失的递增，解决了明明线程2任务执行了，计数器却没计数的悲剧**

这就是有关Java的原子（atomic）操作简单但重要的概念。

Happy Learning !!