并发编程之CAS

写在前面

上一篇我们分析了volatile变量对于内存可见性的保证以及抑制指令重排的特性，了解到在多线程对volatile变量的读写不会发生线程阻塞，但是volatile变量只能保证可见性和有序性，并不能保证原子性，即i++之后的数据仍然是不正确的。目前保证原子性的方式只有加锁，无论是内置锁(synchronized),还是显示锁(ReentrantLock),加锁意味着线程阻塞，如果竞争激烈，很可能导致频繁的线程上下文切换，从而大大降低了性能。鉴于此，我们希望有一种机制，既可以保证原子性，又能够使得线程不发生阻塞，幸运的是，java的先行者已经为我们做好了这些，这就是今天的主角——CAS。

CAS分析

CAS,即compare and swap，比较更新机制。它涉及到三个参数，内存值V，旧值A，新值B。当且仅当V=A时，我们才去将变量的值更新成B并返回true,否则返回false。(这个比较再更新的原子性是由操作系统底层来实现的，我们并不需要关心)

JUC下的atomic类都是通过CAS来实现的，我们以AtomicInteger为例来说明。

AtomicInteger i = new AtomicInteger(0);
i.increasementAndGet();

01.png

如图所示，我们开启了三个线程并发对AtomicInteger类型的变量i进行increasementAndGet的自增操作，i的值初始化为0，首先，每个线程都会先去读取i的值，然后进行院子的CAS操作，在CAS操作里，如果此时i的值还是之前读到的值，则更新为新值；如果CAS操作里i的值不少刚刚获取的值，说明有其他线程先于本线程修改了i,CAS失败，失败之后自旋，再次读取i的值，再次CAS操作。

对应于上图，我们假设线程1先于线程2，3执行，线程2，3同时执行，完整的流程就是：

• 线程1首先拿到变量id值为0，此时就它一个线程，直接进行CAS操作，将0改成1
• 线程2，线程3同时读取到变量id值为1，假设线程2抢先一步发起CAS操作，在CAS操作里，它会检查此时变量i的值是否还是1，如果是，则更新为2。
• 线程3发起CAS操作，它去检查变量i的值，发现不是1而是2，CAS失败。然后进入自旋，再次读取变量i的值为2，紧接着进入CAS操作，检查变量i是否还是2，此时是2，则更新为3。

上述过程，就是Atomic原子类的实现原理，并没有基于加锁串行化处理，通过CAS方式，无锁地进行更新，而CAS是由操作系统底层保证了其操作的原子性。

CAS实现原子操作的三大问题

1. ABA问题
   CAS操作需要检查当前内存的变量值是否和刚刚读取的值相同，假设一个变量是A，变成了B，之后又变成了A，所以在进行CAS操作的时候检查到它的值没有发生变化。ABA的解决方案就是加上版本号1A->2B->3A，类似这种。java先行者们也给我们提供了AtomicStampedReference来解决ABA的问题，其中的预期标志也类似于版本号的功能。
2. 循环时间长开销大
   多线程竞争激烈的情况下进行CAS操作，会导致某些线程长时间空循环，也就是说它什么都没做，只是不停地在浪费处理器的处理时间而已。
3. 只能保证一个共享变量的原子操作
   一个共享变量的操作可以用CAS保证其原子性，多个共享变量的操作，循环CAS是无法保证其原子性的。有个取巧的办法，java先行者设计的AtomicReference类，我们可以通过将多个变量放到一个对象里面，然后由AtomicReference进行原子性地更新。

参考文档

方腾飞《并发编程的艺术》