Java 底层CAS原理 & Concurrent包实现

CAS：

Compare and Swap, 翻译成比较并交换。
java.util.concurrent包中借助CAS实现了区别于synchronouse同步锁的一种乐观锁。

CAS实现原理：

CAS有3个操作数，内存值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，将内存值V修改为B，否则什么都不做。

boolean compareAndSwap( V, A, B){
    if (V != A) {
        return false;
    } else {
        V = B;
        return true;
    }
}

这个过程在硬件层面实现的，Java主要用JNI类 UNSAFE实现的。
这里不详细描述其具实现，详情：UNSAFE详情

CAS 缺点：

1. ABA问题：就是当修改，从A改成B，再从B改回A。那么CAS算法会当他没有变化，但实际上数据是变化了。
   解决方法： 加入版本控制，每次操作都有版本号。
   处理过程： 先检查值有没变化，如果没变，再检查版本号。

2. 循环时间过长：CAS如果长时间不成功，就会浪费掉非常多的CPU资源。
   解决方法：pause指令。有两个作用:
   a. 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。
   b. 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。

3. 只能保证一个共享变量的原子操作:当操作一个共享变量时，可以使用CAS，但一个原子操作有多个共享变量时。我们只能用锁来解决问题，获取把多个共享变量合并成一个共享变量。
   解决方法：
   a. 使用锁控制几个共享变量；
   b. 合并几个共享变量使用CAS。

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concurrent包的实现

由于java的CAS同时具有 volatile 读和volatile写的内存语义，因此Java线程之间的通信现在有了下面四种方式：

1. A线程写volatile变量，随后B线程读这个volatile变量。
2. A线程写volatile变量，随后B线程用CAS更新这个volatile变量。
3. A线程用CAS更新一个volatile变量，随后B线程用CAS更新这个volatile变量。
4. A线程用CAS更新一个volatile变量，随后B线程读这个volatile变量。

Java的CAS会使用现代处理器上提供的高效机器级别原子指令，这些原子指令以原子方式对内存执行读-改-写操作，这是在多处理器中实现同步的关键（从本质上来说，能够支持原子性读-改-写指令的计算机器，是顺序计算图灵机的异步等价机器，因此任何现代的多处理器都会去支持某种能对内存执行原子性读-改-写操作的原子指令）。同时，volatile变量的读/写和CAS可以实现线程之间的通信。把这些特性整合在一起，就形成了整个concurrent包得以实现的基石。如果我们仔细分析concurrent包的源代码实现，会发现一个通用化的实现模式：

1. 首先，声明共享变量为volatile；
2. 然后，使用CAS的原子条件更新来实现线程之间的同步；
3. 同时，配合以volatile的读/写和CAS所具有的volatile读和写的内存语义来实现线程之间的通信。

AQS，非阻塞数据结构和原子变量类（java.util.concurrent.atomic包中的类），这些concurrent包中的基础类都是使用这种模式来实现的，而concurrent包中的高层类又是依赖于这些基础类来实现的。从整体来看，concurrent包的实现示意图如下：

concurrent结构

参考文档：
http://www.cnblogs.com/zhuawang/p/4196904.html
concurrent包的实现内容完全转载
http://www.cnblogs.com/zhuawang/p/4196904.html