CAS原理

CAS概述

CAS（Compare-and-Swap），一种无锁编程思想或者乐观锁的一种具体实现，即比较并替换，是一种实现并发算法时常用到的技术，Java并发包中的很多类都使用了CAS技术。

CAS是英文单词CompareAndSwap的缩写，中文意思是：比较并替换。CAS需要有3个操作数：内存地址V，旧的预期值A，即将要更新的目标值B。

CAS指令执行时，当且仅当内存地址V的值与预期值A相等时，将内存地址V的值修改为B，否则就什么都不做。整个比较并替换的操作是一个原子操作。

CAS源码分析

上面源码分析时，提到最后调用了compareAndSwapInt方法，接着继续深入探讨该方法，该方法在Unsafe中对应的源码如下。

可以看到调用了“Atomic::cmpxchg”方法，“Atomic::cmpxchg”方法在linux_x86和windows_x86的实现如下。

linux_x86的实现：

windows_x86的实现：

mp是“os::is_MP()”的返回结果，“os::is_MP()”是一个内联函数，用来判断当前系统是否为多处理器。

如果当前系统是多处理器，该函数返回1。
否则，返回0。

LOCK_IF_MP(mp)会根据mp的值来决定是否为cmpxchg指令添加lock前缀。

如果通过mp判断当前系统是多处理器（即mp值为1），则为cmpxchg指令添加lock前缀。
否则，不加lock前缀。

这是一种优化手段，认为单处理器的环境没有必要添加lock前缀，只有在多核情况下才会添加lock前缀，因为lock会导致性能下降。cmpxchg是汇编指令，作用是比较并交换操作数。

通过对之前voliate的底层实现原理的介绍我们知道带有“Lock”前缀的汇编指令具有如下特性：
1）会把线程工作内存的数据刷新到主存
2）会使用“总线锁定”或者“内存锁定”保存修改时的原子性
3）禁止编译器和处理器对该指令的重排

上面的第2点保证了CAS操作是一个原子操作，第3点所具有的内存屏障效果，而1、2、3合起来就保证了CAS同时具有volatile读和volatile写的内存语义。

CAS缺点

CAS虽然很高效的解决了原子操作问题，但是CAS仍然存在三大问题。

循环时间长开销很大。
只能保证一个共享变量的原子操作。
ABA问题。

循环时间长开销很大：

我们可以看到getAndAddInt方法执行时，如果CAS失败，会一直进行尝试。如果CAS长时间一直不成功，可能会给CPU带来很大的开销。

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来保证原子性。

什么是ABA问题？ABA问题怎么解决？

如果内存地址V初次读取的值是A，并且在准备赋值的时候检查到它的值仍然为A，那我们就能说它的值没有被其他线程改变过了吗？

如果在这段期间它的值曾经被改成了B，后来又被改回为A，那CAS操作就会误认为它从来没有被改变过。这个漏洞称为CAS操作的“ABA”问题。Java并发包为了解决这个问题，提供了一个带有标记的原子引用类“AtomicStampedReference”，它可以通过控制变量值的版本来保证CAS的正确性。因此，在使用CAS前要考虑清楚“ABA”问题是否会影响程序并发的正确性，如果需要解决ABA问题，改用传统的互斥同步可能会比原子类更高效。