CAS原理分析及ABA问题详解

什么是CAS？

CAS（Compare-and-Swap，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，新值B;

其作用是当且仅当内存地址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。Java是无法直接访问操作系统底层的API的（原因是Java的跨平台性限制了Java不能和操作系统耦合），所以Java通过JNI（Java Nativa Interface，Java本地接口）调用C/C++来实现CAS操作。

CAS的缺点

1、ABA问题

ABA问题是指在CAS操作时，其他线程将变量值A改为了B，但是又被改回了A，等到本线程使用期望值A与当前变量进行比较时，发现变量A没有变，于是CAS就将A值进行了交换操作，但是实际上该值已经被其他线程改变过。
解决办法： 在变量前面加上版本号，每次变量更新的时候变量的版本号都+1，即A->B->A就变成了1A->2B->3A。只要变量被某一线程修改过，变量对应的版本号就会发生递增变化，从而解决了ABA问题。

2、循环时间长开销大

自旋CAS（也就是不成功就一直循环执行直到成功）如果长时间不成功，会给CPU带来非常大的执行开销 。在Java中有很多的并发框架都使用了自旋CAS来获取相应的锁，会一直循环直到获取到相应的锁后，然后执行相应的操作。那么当其自旋时CAS，会一直占用CPU的资源。如果自旋CAS长时间不成功，会给CPU带来非常大的执行开销。

3、只能保证一个共享变量的原子操作

CAS 只对单个共享变量有效，当操作涉及跨多个共享变量时 CAS 无效。但是从 JDK 1.5开始，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.所以我们可以使用锁或者利用AtomicReference类把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。

CAS与synchronized的使用情景

简单的来说CAS适用于写比较少的情况下（多读场景，冲突一般较少），synchronized适用于写比较多的情况下（多写场景，冲突一般较多）

对于资源竞争较少（线程冲突较轻）的情况，使用synchronized同步锁进行线程阻塞和唤醒切换以及用户态内核态间的切换操作额外浪费消耗cpu资源；而CAS基于硬件实现，不需要进入内核，不需要切换线程，操作自旋几率较少，因此可以获得更高的性能。
对于资源竞争严重（线程冲突严重）的情况，CAS自旋的概率会比较大，从而浪费更多的CPU资源，效率低于synchronized。

补充： Java并发编程这个领域中synchronized关键字一直都是元老级的角色，很久之前很多人都会称它为 “重量级锁” 。但是，在JavaSE 1.6之后进行了主要包括为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗而引入的 偏向锁 和 轻量级锁 以及其它各种优化之后变得在某些情况下并不是那么重了。synchronized的底层实现主要依靠 Lock-Free 的队列，基本思路是 自旋后阻塞，竞争切换后继续竞争锁，稍微牺牲了公平性，但获得了高吞吐量。在线程冲突较少的情况下，可以获得和CAS类似的性能；而线程冲突严重的情况下，性能远高于CAS。

想要更深入了解的可以看看链接文章：

1. 作者：JavaGuide
   链接：https://juejin.im/post/6844903639207641096
   来源：掘金
2. 作者：AndyJennifer
   链接：https://juejin.im/post/6844903683260416008
   来源：掘金