通过实现网站访问计数器带你理解 轻量级锁CAS原理，还学不会算我输！！！

一、实现网站访问计数器

1、线程不安全的做法

1.1、代码

package com.chentongwei.concurrency;

import static java.lang.Thread.sleep;

/**
 * @Description:
 * @Project concurrency
 */
public class TestCount {

    private static int count;

    public void incrCount() {
        count ++;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        TestCount testCount = new TestCount();
        // 开启五个线程
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(() -> {
                try {
                    sleep(10);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                // 每个线程都让count自增100
                for (int j = 0; j < 100; j++) {
                    testCount.incrCount();
                }
            }).start();
        }
        sleep(2000);
        // 正确的情况下会输出500
        System.out.println(count);
    }
}

 

1.2、结果

并不一定是500，极大可能小于500。不固定。

1.3、分析

很明显上面那段程序是线程不安全的，为什么线程不安全？因为++操作其实是类似如下的两步骤，如下：

count ++;
||
// 获取count
int temp = count;
// 自增count
count = temp + 1;

 

很明显是先获取在自增，那么问题来了，我线程A和线程B都读取到了int temp = count;这一步，然后都进行了自增操作，其实这时候就错了因为这时候count丢了1，并发了。所以导致了线程不安全，结果小于等于500。

2、Synchronized保证线程安全

2.1、代码

package com.chentongwei.concurrency;

import static java.lang.Thread.sleep;

/**
 * @Description:
 * @Project concurrency
 */
public class TestCount {

    private static int count;

    public  void incrCount() {
        count ++;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        TestCount testCount = new TestCount();
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(() -> {
                try {
                    sleep(10);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                for (int j = 0; j < 100; j++) {
                    synchronized (TestCount.class) {
                        testCount.incrCount();
                    }
                }
            }).start();
        }
        sleep(2000);
        System.out.println(count);
    }
}

 

2.2、结果

500

2.3、分析

没什么可分析的，我用了Java的内置锁Synchronized来保证了线程安全性。加了同步锁之后，count自增的操作变成了原子性操作，所以最终输出一定是500。众所周知性能不好，所以继续往下看替代方案。

3、原子类保证线程安全

3.1、代码

package com.chentongwei.concurrency;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

import static java.lang.Thread.sleep;

/**
 * @Description:
 * @Project concurrency
 */
public class TestCount {
 
    // 原子类
    private static AtomicInteger count = new AtomicInteger();

    public  void incrCount() {
        count.getAndIncrement();
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        TestCount testCount = new TestCount();
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(() -> {
                try {
                    sleep(10);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                for (int j = 0; j < 100; j++) {
                    testCount.incrCount();
                }
            }).start();
        }
        sleep(2000);
        System.out.println(count);
    }
}

 

3.2、结果

500

3.3、分析

所谓原子操作类，指的是java.util.concurrent.atomic包下，一系列以Atomic开头的包装类。如AtomicBoolean，AtomicUInteger，AtomicLong。它们分别用于Boolean，Integer，Long类型的原子性操作。每个原子类内部都采取了CAS算法来保证的线程安全性。

二、什么是CAS算法

1、概念

CAS的英文单词Compare and Swap的缩写，翻译过来就是比较并替换。

2、原理

CAS机制中使用了3个基本操作数：内存地址V，旧的预期值A，要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时，才将内存值修改为B，否则什么都不做，最后返回现在的V值。

简单理解为这句话：我认为V的值应该是A，如果是A的话我就把他改成B，如果不是A的话（那就证明被别人修改过了），那我就不修改了，避免多人 同时修改导致数据出错。换句话说：要想修改成功，必须保证A和V中的值是一样的，修改前有个对比的过程。

比如：更新一个变量，只有当变量的预期值（A）和内存地址（V）的实际值相同时，才会将内存地址（V）对应的值修改为B。

我们看如下的原理图：

1、在内存地址V当中，存储着值为10的变量。

2、此时线程1想把变量的值增加1，对于线程1来说，旧的预期值A=10，要修改的新值B=11。

3、在线程1要提交更新之前，另一个线程2抢先一步，把内存地址V中的变量率先更新成了11。

4、线程1开始提交更新，首先进行A和地址V的实际值对比，发现A！=V，提交失败。

5、线程1重新获取内存地址V的当前值，并重新计算想要修改的值。此时对线程1来说：A=11，B=12.这个重新尝试的过程称为自旋。

6、这一次比较幸运，没有其他线程改变地址V的值。线程1进行比较，发现A和地址V的实际值是相等的。

7、线程1进行交换，把地址V的值替换为B，也就是12.

3、对比Synchronized

从思想上来讲，Synchronized属于悲观锁，悲观的认为程序中的并发情况严重，所以严防死守，高并发情况下效率低下。而CAS属于乐观锁，乐观的认为程序中的并发情况不那么严重，所以让线程不断去重试更新。但实际上Synchronized已经改造了，带有锁升级的功能。效率不亚于cas。

4、CAS缺点

（1）CPU开销可能过大

在并发比较大的时候，若多线程反复尝试更新某个变量，却又一直更新不成功，循环往复，会给CPU带来很大的压力。（因为是个死循环，下面分析底层实现就懂了。）

（2）不能保证代码块的原子性

CAS机制所保证的只是一个变量的原子操作，而不能保证整个代码块的原子性。比如需要保证三个变量共同进行原子性的更新，就不得不使用Synchronized或Lock等机制了。

（3）ABA问题。

下面会单独抽出一块地来详细讲解。这是CAS最大的漏洞。

三、CAS底层实现（Java）

1、概述

要说Java中CAS的案例，那么最属java.util.concurrent.atomic包下的原子类有发言权了。最经典、最简单。

2、讲解

比如我们这里随便找个AtomicInteger来讲解CAS算法底层实现。

public final int incrementAndGet() {
    for (;;) {
        int current = get();
        int next = current + 1;
        if (compareAndSet(current, next))
            return next;
    }
}

private volatile int value; 

public final int get() {
    return value;
}

 

1. 获取当前值

2. 当前值+1，计算出目标值

3. 进行CAS操作，如果成功则跳出循环，如果失败则重复上述步骤

如何保证获取的当前值是内存中的最新值？很简单，用volatile关键字来保证（保证线程间的可见性）。

compareAndSet方法的实现很简单，只有一行代码。这里涉及到两个重要的对象，一个是unsafe，一个是valueOffset。

什么是unsafe呢？

3、Unsafe

Unsafe是CAS的核心类，Java语言不像C，C++那样可以直接访问底层操作系统，Java无法直接访问底层操作系统，但是JVM为我们提供了一个后门，这个后门就是unsafe。unsafe为我们提供了硬件级别的原子操作。

而valueOffset是通过unsafe.objectFiledOffset方法得到，所代表的是AtomicInteger对象value成员变量在内存中的偏移量。我们可以简单的把valueOffset理解为value变量的内存地址。

我们上面说过，CAS机制中使用了3个基本操作数：内存地址V，旧的预期值A，要修改的新值B。

而unsafe的compareAndSwapInt方法的参数包括了这三个基本元素：valueOffset参数代表了V，expect参数代表了A，update参数代表了B。

正是unsafe的compareAndSwapInt方法保证了Compare和Swap操作之间的原子性操作。

四、ABA问题

1、演示

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时发现变量的值仍是A，所以CAS成功，这么看没毛病，但是如果操作的是个链表呢？那就炸了，因为虽然值一样，但是链表的位置不一样了。

例如：

（1）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);

（2）在T1执行上面这条指令（CAS）之前，线程T2介入，将A、B出栈，在push三个D、C、A，如下：

（3）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，因为B已经再上一步被移除了，成为了游离态。所以此时的情况变为

导致了其中堆栈中只有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。

2、生活案例

你和你前任分手后她又回来了，但是你在这期间又和其他女人...，你表面还是你，但是本质的你已经变了。把这个例子带到代码里来就是：

你有个class，里面有个LinkedList属性，这个链表里有你和你前任，你先把它踹了，然后小苍进来跟你...，这时候你前任就回来了，但是这期间链表已经发生了无感知的变化。`