Java并发（05）-CAS算法原理与应用

对于并发控制而言，我们平时用的锁（synchronized，Lock）是一种悲观的策略。它总是假设每一次临界区操作会产生冲突，因此，必须对每次操作都小心翼翼。如果多个线程同时访问临界区资源，就宁可牺牲性能让线程进行等待，所以锁会阻塞线程执行。

与之相对的有一种乐观的策略，它会假设对资源的访问是没有冲突的。既然没有冲突也就无需等待了，所有的线程都在不停顿的状态下持续执行。那如果遇到问题了无锁的策略使用一种叫做比较交换（CAS Compare And Swap）来鉴别线程冲突，一旦检测到冲突产生，就重试当前操作直到没有冲突。CAS算法是非阻塞的，它对死锁问题天生免疫，而且它比基于锁的方式拥有更优越的性能。

CAS简介

CAS,compare and swap的缩写，中文翻译成比较并交换。

我们都知道，在java语言之前，并发就已经广泛存在并在服务器领域得到了大量的应用。所以硬件厂商老早就在芯片中加入了大量直至并发操作的原语，从而在硬件层面提升效率。在intel的CPU中，使用cmpxchg指令。

在Java发展初期，java语言是不能够利用硬件提供的这些便利来提升系统的性能的。而随着java不断的发展,Java本地方法(JNI)的出现，使得java程序越过JVM直接调用本地方法提供了一种便捷的方式，因而java在并发的手段上也多了起来。而在Doug Lea提供的cucurenct包中，CAS理论是它实现整个java包的基石。

CAS原理

CAS 操作包含三个操作数 —— 内存位置（V）、预期原值（A）和新值(B)。如果内存位置的值与预期原值相匹配，那么处理器会自动将该位置值更新为新值。否则，处理器不做任何操作。无论哪种情况，它都会在 CAS 指令之前返回该位置的值。（在 CAS 的一些特殊情况下将仅返回 CAS 是否成功，而不提取当前值。）CAS 有效地说明了“我认为位置 V 应该包含值 A；如果包含该值，则将 B 放到这个位置；否则，不要更改该位置，只告诉我这个位置现在的值即可。

通常将 CAS 用于同步的方式是从地址 V 读取值 A，执行多步计算来获得新值 B，然后使用 CAS 将 V 的值从 A 改为 B。如果 V 处的值尚未同时更改，则 CAS 操作成功。

类似于 CAS 的指令允许算法执行读-修改-写操作，而无需害怕其他线程同时修改变量，因为如果其他线程修改变量，那么 CAS 会检测它（并失败），算法可以对该操作重新计算。

CAS缺点

CAS这么好，但他也是有一定缺点的

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。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。

1. 循环时间长开销大。自旋CAS如果长时间不成功，会给CPU带来非常大的执行开销。如果JVM能支持处理器提供的pause指令那么效率会有一定的提升，pause指令有两个作用，第一它可以延迟流水线执行指令（de-pipeline）,使CPU不会消耗过多的执行资源，延迟的时间取决于具体实现的版本，在一些处理器上延迟时间是零。第二它可以避免在退出循环的时候因内存顺序冲突（memory order violation）而引起CPU流水线被清空（CPU pipeline flush），从而提高CPU的执行效率。
1. 只能保证一个共享变量的原子操作。当对一个共享变量执行操作时，我们可以使用循环CAS的方式来保证原子操作，但是对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，或者有一个取巧的办法，就是把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。比如有两个共享变量i＝2,j=a，合并一下ij=2a，然后用CAS来操作ij。从Java1.5开始JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，你可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。

Atomic 包

java 在 1.5 版本中提供了 java.util.concurrent.atomic 包，该包下所有的类都是原子操作，其内部使用的原理就是cas算法

AtomicInteger源码解析：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    AtomicInteger integer = new AtomicInteger();
    System.out.println(integer.get());
    Thread[] threads = new Thread[1000];
    for (int j = 0; j < 1000; j++) {
      threads[j] = new Thread(() ->
          integer.incrementAndGet()
      );
      threads[j].start();
    }
    for (int j = 0; j < 1000; j++) {
      threads[j].join();
    }
    System.out.println(integer.get());
  }
}

上面的代码，我们启动了1000个线程对 AtomicInteger 变量做了自增操作。结果是我们预期的1000，表示没有发生同步问题。

我们看看他的内部实现，我们找到该类的 compareAndSet 方法，也就是比较并且设置。我们看看该方法实现：

该方法调用了 unsafe 类的 compareAndSwapInt 方法，有几个参数，一个是该变量的内存地址，一个是期望值，一个是更新值，一个是对象自身。完全符合我们之前CAS 的定义