java CAS

在Doug Lea提供的cucurenct包 (J.U.C)中，CAS理论是实现整个java包的基石。

 

Compare and Swap

在这里，CAS 指的是现代 CPU 广泛支持的一种对内存中的共享数据进行操作的一种特殊指令。这个指令会对内存中的共享数据做原子的读写操作。简单介绍一下这个指令的操作过程：首先，CPU 会将内存中将要被更改的数据与期望的值做比较。然后，当这两个值相等时，CPU 才会将内存中的数值替换为新的值。否则便不做操作。最后，CPU 会将旧的数值返回。这一系列的操作是原子的。它们虽然看似复杂，但却是 Java 5 并发机制优于原有锁机制的根本。简单来说，CAS 的含义是“我认为原有的值应该是什么，如果是，则将原有的值更新为新值，否则不做修改，并告诉我原来的值是多少”（这段描述引自《Java Concurrency in Practice》）

Compare and Set

在理解了什么是 Compare and Swap 之后，理解 Compare and Set 便很容易了。Compare and Set 就是利用 Compare and Swap 实现的非阻塞的线程安全的写操作算法。它的实现过程如下：首先读取你要更改的数据的原值，然后将其和你要更新成的值作为 Compare and Swap 操作的两个参数，如果 Compare and Swap 的返回值和原值不同，便重复这一过程，直至成功。写成伪代码如下

int old;

int new;

do {

    old = value.get();

    new = doSomeCalcBasedOn(old)

while (value.compareAndSwap(old, new));

Compare and Set 是一个非阻塞的算法，这是它的优势。但是有一个问题就是存在这样的可能，在每次读操作之后，写操作之前，都有另外一个线程更改了原先的值，这样 Compare and Set 操作就会不停地重试。但这样的可能只存在于理论，在实际中很少发生。

Compare and Set 广泛使用在 Java 5 中的 Atomic 类中，其它的诸如 ReetrantLock、Semaphore 等的类也通过 AbstractQueuedSynchronizer 类间接地使用了 Compare and Set。

 

AtomicInteger 的方法中i++的实现：

    public final int getAndIncrement() {

        for (;;) {

            int current = get();//先取出当前时间点的值

            int next = current + 1;

            if (compareAndSet(current, next))//然后尝试赋新值，在赋值时判断这个值是否改变。

                return current;

        }

    }



    public final boolean compareAndSet (int expect, int update) {

     return unsafe.compareAndSwapInt( this, valueOffset, expect, update);

    }

ABA问题：
CAS操作容易导致ABA问题,也就是在做a++之间，a可能被多个线程修改过了，只不过回到了最初的值，这时CAS会认为a的值没有变。
在运用CAS做Lock-Free操作中有一个经典的ABA问题：
线程1准备用CAS将变量的值由A替换为B，在此之前，线程2将变量的值由A替换为C，又由C替换为A，然后线程1执行CAS时发现变量的值仍然为A，所以CAS成功。但实际上这时的现场已经和最初不同了，尽管CAS成功，但可能存在潜藏的问题，

例如下面的例子：

现有一个用单向链表实现的堆栈，栈顶为A，这时线程T1已经知道A.next为B，然后希望用CAS将栈顶替换为B：

head.compareAndSet(A,B);

在T1执行上面这条指令之前，线程T2介入，将A、B出栈，再pushD、C、A，此时堆栈结构如下图，而对象B此时处于游离状态：

此时轮到线程T1执行CAS操作，检测发现栈顶仍为A，所以CAS成功，栈顶变为B，但实际上B.next为null，所以此时的情况变为：

 

其中堆栈中只有B一个元素，C和D组成的链表不再存在于堆栈中，平白无故就把C、D丢掉了。
以上就是由于ABA问题带来的隐患，各种乐观锁的实现中通常都会用版本戳version来对记录或对象标记，避免并发操作带来的问题，在Java中，AtomicStampedReference<E>也实现了这个作用，它通过包装[E,Integer]的元组来对对象标记版本戳stamp，从而避免ABA问题

例如下面的代码分别用AtomicInteger和AtomicStampedReference来对初始值为100的原子整型变量进行更新，AtomicInteger会成功执行CAS操作，而加上版本戳的AtomicStampedReference对于ABA问题会执行CAS失败：

import java.util.concurrent.TimeUnit;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger ;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference;



public class ABA {

        private static AtomicInteger atomicInt = new AtomicInteger(100);

        private static AtomicStampedReference atomicStampedRef = new AtomicStampedReference(100, 0);



        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

                Thread intT1 = new Thread( new Runnable() {

                        @Override

                        public void run() {

                                atomicInt.compareAndSet(100, 101);

                                atomicInt.compareAndSet(101, 100);

                        }

                });



                Thread intT2 = new Thread( new Runnable() {

                        @Override

                        public void run() {

                                try {

                                        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);

                                } catch (InterruptedException e) {

                                }

                                boolean c3 = atomicInt.compareAndSet(100, 101);

                                System. out.println(c3); // true

                        }

                });



                intT1.start();

                intT2.start();

                intT1.join(); //join方法保证intT1执行完毕后执行intT2

                intT2.join();



                Thread refT1 = new Thread( new Runnable() {

                        @Override

                        public void run() {

                                try {

                                        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);

                                } catch (InterruptedException e) {

                                }

                                atomicStampedRef.compareAndSet(100, 101, atomicStampedRef.getStamp(), atomicStampedRef.getStamp() + 1);

                                atomicStampedRef.compareAndSet(101, 100, atomicStampedRef.getStamp(), atomicStampedRef.getStamp() + 1);

                        }

                });



                Thread refT2 = new Thread( new Runnable() {

                        @Override

                        public void run() {

                                int stamp = atomicStampedRef.getStamp();

                                try {

                                        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);

                                } catch (InterruptedException e) {

                                }

                                boolean c3 = atomicStampedRef.compareAndSet(100, 101, stamp, stamp + 1);

                                System. out.println(c3); // false

                        }

                });



                refT1.start();

                refT2.start();

                refT1.join();

                refT2.join();

        }

}